Funktionelle Charakterisierung von frühen Graviperzeptionsmechanismen in Pflanzen

Abstract

Die Ergebnisse der Arbeit zur Untersuchung der funktionellen Charakterisierung von frühen Graviperzeptionsmechanismen in Pflanzen leistet einen wesentlichen Beitrag zur Aufklärung der sehr frühen Prozesse der Schwerkraftwahrnehmung in den Wurzelstatozyten Höherer Pflanzen. Es existierten bis dato zahlreiche Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen den sedimentierenden Statolithen und den Aktinfilamenten der Statozyten während der Gravisuszeption. Im Rahmen der hier vorgestellten Bodenkontroll- und Parabelflugexperimente ist es nun erstmalig gelungen, die Rolle des Aktinzytoskeletts während der Graviperzeption in Wurzeln näher zu charakterisieren. Ein intaktes Aktinnetzwerk in den schwerkraftwahrnehmenden Wurzelzellen ist keine notwendige Voraussetzung für die ersten Prozesse der Schwerkraftwahrnehmung. Die vollständige Zerstörung von Aktin mittels Latrunculin B resultiert nicht in einer verringerten Krümmungsreaktion der behandelten Wurzeln, sondern im Gegenteil in einem erhöhten Krümmungswinkel verglichen mit unbehandelten Kontrollen.<br /> Parabelflugexperimente lieferten entscheidende Hinweise dafür, dass das Aktinzytoskelett in den Wurzelstatozyten wichtige Aufgaben bei der Regulation der hochdynamischen Mechanismen der Graviperzeption übernimmt. Die Beweglichkeit der Statolithen und damit die Sensibilität des Wahrnehmungsapparates wird durch das Aktomyosinsystem kontrolliert, wodurch die Intensität und/oder die Dauer des an einem Gravirezeptor ausgelösten Signals reguliert wird. Das Prinzip dieses Schwerkraftwahrnehmungssystem ist dadurch hoch dynamisch und sehr sensitiv. Gleichzeitig wird eine von der Pflanze unerwünschte Reaktion auf transiente Reize vermieden. Für die Auslösung eines schwerkraftinduzierten Signals in den Statozyten Höherer Pflanzen ist der Kontakt zwischen den sedimentierten Statolithen und den Schwerkraftrezeptoren ausreichend. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen erstmals, dass die Aufhebung des Kontakts zwischen Statolithen und Zellmembran durch Wegsedimentieren der Statolithen zu einer Unterbrechung der Graviperzeption führt. In Hyper-g-Experimenten, in denen ein erhöhter Druck auf die Schwerkraftrezeptoren durch ein erhöhtes Gewicht der sedimentierten Statolithen wirkt, bleibt die gravitrope Krümmung unbeeinflusst. Es ist demnach sehr wahrscheinlich dass direkte elektrische oder chemoelektrische Wechselwirkungen zwischen Statolithenoberfläche und Schwerkraftrezeptor für die Auslösung einer schwerkraftspezifischen Signalkaskade ausschlaggebend sind. Dementsprechend sind “schwerelose“ Statolithen, die auf den Rezeptoren aufliegen, in der Lage, die gravitrope Wurzelkrümmung auszulösen – wie in Parabelflugexperimenten deutlich gezeigt wurde.<br /> Darüber hinaus haben Untersuchungen am Modellsystem der Niederen Pflanzen, dem Chara-Rhizoid, ebenfalls zu neuen Erkenntnissen bezüglich der Prozesse der schwerkraftabhängigen Krümmungsreaktion geführt. Untersuchungen der Membranpotentialverhältnisse in Chara-Rhizoiden geben erstmals Hinweise darauf, dass der Calciumgradient in spitzenwachsenden Zellen einen Einfluss auf den Depolarisationsgrad von sekretorischen Vesikeln hat, die durch ihre Fusion mit der apikalen Membran das Spitzenwachstum der Zelle ermöglichen. Auch wenn die genaue Funktion der Depolarisation von Vesikel noch nicht verstanden ist, gibt es doch deutliche Hinweise auf eine Population depolarisierter Vesikel, die direkt mit dem Spitzenwachstum verknüpft sind. Auch wurde eine lokal begenzte Hyperpolarisation der Vesikel am Ort der Sedimentation von Statolithen auf der Plasmamembran beobachtet. Durch die Entwicklung des NIKON Eclipse 80i “Horizontal“ ist es möglich bis zu drei Fluoreszenzmarkierungen (z.B. Membranpotential, Calcium und ER) simultan in vivo während der gravitropen Krümmung einzusetzen, um weitere Erkenntnisse über die Dynamik und das Verhalten der beteiligten Zellkompartimente zu gewinnen.<br /> Der letzte Teil der Arbeit beschreibt die Planung, Konstruktion und den Bau einer neuen Parabelflugexperimenteinheit (Carbocryonix). Diese ermöglicht erstmals die Fixierung von biologischen Proben während Parabelflugexperimenten mittels Schockgefrierung. Die Qualität des mit dieser Experimenteinheit fixierten Materials ermöglicht im Anschluss an die eigentlichen Parabelflugexperimente molekularbiologische Analysen und verspricht zur Aufklärung einiger molekular- und zellbiologischer Fragestellungen bezüglich der Schwerkraftwahrnehmung in pflanzlichen und tierischen Systemen beizutragen.