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Mechanismus zur Regulation des polaren Zellwachstums entdeckt

Wissenschaftler*innen der Universität Regensburg entdecken eine Proteinfamilie, die polares Spitzenwachstum in Wurzelhaaren und Pollenschläuchen ermöglicht


7. Oktober 2020

Manche Zellen wachsen extrem polar an einem sehr kleinen Bereich ihrer Zelloberfläche. In Pflanzen findet man dieses zelluläre Spitzenwachstum beispielsweise bei Wurzelhaaren, die wichtig für die Aufnahme von Wasser und gelösten Mineralien aus dem Boden sind. Auch der Pollenschlauch wächst nur an der Spitze, um die unbeweglichen Spermazellen für die Befruchtung zum Eiapparat zu transportieren. Wie das Wachstum von Wurzelhaaren und Pollenschläuchen sehr lokal auf einen kleinen Bereich in der Spitze beschränkt wird, haben Forscherinnen und Forscher der Universität Regensburg jetzt herausgefunden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Plants veröffentlicht und sind nicht nur für die Grundlagenforschung relevant, sondern eröffnen langfristig auch Anwendungsmöglichkeiten für die Ertragssteigerung bei Nahrungs- und Futterpflanzen.


Wurzelhaare



Eine der fundamentalsten Fragestellungen der Zell- und Entwicklungsbiologie betrifft die Entstehung und Aufrechterhaltung von Zellpolarität, welche eine wesentliche Voraussetzung für die Bildung komplexer vielzelliger Gewebe und Organe ist. Die Polarisierung einer Zelle durch asymmetrische Verteilung subzellulärer Komponenten ist aber auch die Voraussetzung für polares Zellwachstum.

Studien an verschiedensten Organismen und Zelltypen haben gezeigt, das polares Zellwachstum einem gemeinsamen Schema folgt und kleine GTP-bindende Proteine dabei eine Schlüsselstellung einnehmen. Diese Rho GTPasen funktionieren wie molekulare Schalter, da sie reversibel zwischen einer GTP-gebundenen aktiven Form und einer GDP-gebundenen inaktiven Form wechseln können („AN“ oder „AUS“-Schaltung). Dabei ändern sie ihre räumliche Struktur, wodurch eine Interaktion mit Effektor-Proteinen ermöglicht wird, die daraufhin spezifische Antworten in der Zelle auslösen.


Ivan Kulich bei der Abbildung von Wurzelhaaren von Arabidopsis thaliana; Foto © Stefanie Sprunck


In Pflanzen werden diese kleinen GTPasen ROPs („Rho Of Plants“) genannt. Aktive ROPs sind mit der Zellmembran assoziiert und bewirken eine polare Ausrichtung des Zellskeletts. Durch den daraus resultierenden polaren Transport von Zellmaterial in kleinen Transportbläschen und die lokale Verschmelzung dieser Bläschen mit der Zellmembran wächst die Zelle ausschließlich an diesem Bereich ihrer Oberfläche.

Aber auch die molekularen Schalter werden reguliert: (i) Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren (GEFs) aktivieren ROPs, während (ii) GTPase-aktivierende Proteine (GAPs) für ihre Inaktivierung sorgen. Schließlich halten (iii) Guanin-Nukleotid-Dissoziations-Inhibitoren (GDIs) GDP-gebundene ROPs im Zytoplasma zurück. Die Ansammlung aktiver ROPs in sogenannten Nanoclustern wird wiederum durch die Zusammensetzung der Zellmembran reguliert.

Über die Regulation der ROP-Regulatoren ist jedoch nur wenig bekannt. Forscher:innen der Universität Regensburg haben nun gezeigt, das GAPs mit ARMADILLO Repeat Proteinen (AROs) interagieren müssen, damit Spitzenwachstum in Wurzelhaaren und Pollenschläuchen stattfinden kann. Fehlen diese ARO Gerüstproteine, können GAPs nicht mehr lokal an die Zellmembran rekrutiert werden, um dort die ROP Aktivität auf einen kleinen Bereich zu beschränken. Interessanterweise ist dieser Mechanismus hochkonserviert und korreliert mit dem Auftreten der ersten Landpflanzen vor etwa 475 Millionen Jahren. 



„ARO Gerüstproteine sind eine evolutionäre Innovation, durch die eine sehr schnelle Koordination lokaler ROP Aktivität an der Zellmembran ermöglicht wird. So können Pflanzenzellen hochdynamisch auf exogene und endogene Signale reagieren“, erläutert der Erstautor der Studie, Dr. Ivan Kulich. Schnelle Wachstumsreaktionen an der Zellspitze sind nicht nur für Pollenschläuche wichtig, wenn diese Signale wahrnehmen, um zielgerichtet zum Eiapparat zu wachsen. Auch Wurzelhaare müssen schnell reagieren, wenn sie feinste Hohlräume im Erdreich durchdringen wollen, um eine optimale Nährstoff- und Wasseraufnahme zu erzielen, oder wenn eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien im Boden eingegangen werden soll. In Arabidopsis thaliana – einer im Deutschen als Ackerschmalwand bezeichneten Wildpflanze – werden ARO Gerüstproteine aber auch für die Bildung der dreifach verzweigten Blatthaare benötigt, obwohl diese durch eine Kombination von Spitzenwachstum und diffusem Wachstum entstehen. Blatthaare schützen die Epidermis vor Insekten und anderen Formen von biotischem und abiotischem Stress.

„Versteht man die molekularen Mechanismen des polaren Zellwachstums in Pflanzen, ist das nicht nur wichtig für die Grundlagenforschung. Langfristig eröffnet dieses Wissen auch Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise um Nahrungs- und Futtermittelerträge durch optimierte Wasser- und Nährstoffaufnahme aus dem Boden, einen verbesserten Samenansatz oder erhöhte Resistenzen zu steigern“, erklärt PD Dr. Stefanie Sprunck, Leiterin des Forschungsteams.

Ermöglicht wurde die Forschung durch Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft, auch im Rahmen des Sonderforschungsbereich SFB924 mit den Münchener Universitäten, und der Alexander von Humboldt‐Stiftung.

Originalpublikation

Ivan Kulich, Frank Vogler, Andrea Bleckmann, Philipp Cyprys, Maria Lindemeier, Ingrid
Fuchs, Laura Krassini, Thomas Schubert, Jens Steinbrenner, Jim Beynon, Pascal Falter-
Braun, Gernot Längst, Thomas Dresselhaus, Stefanie Sprunck: ARMADILLO REPEAT ONLY proteins confine Rho GTPase signaling to polar growth sites. In: Nature Plants.
DOI: https://www.nature.com/articles/s41477-020-00781-1

Ansprechpartnerin für die Medien

PD Dr. Stefanie Sprunck
Zellbiologie und Pflanzenbiochemie
Fakultät für Biologie und Vorklinische Medizin
Universität Regensburg
Telefon: +49 941 943 3005
E-Mail stefanie.sprunck@ur.de


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