Regulation der pflanzlichen Zellexpansion durch AGP typ O-glykoproteine

Pflanzen wachsen hauptsächlich durch Vergrößerung ihrer Zellen. Um eine geordnete Zellvergrößerung zu ermöglichen müssen verschiedene Polymere der Zellwand zur richtigen Zeit und am richtigen Ort gebildet werden und, meist zur selben Zeit, bereits vorhandene Zellwandfasern gelockert und umgelagert werden. Das postulierte System der Zellwand Funktions- und Integritätskontrolle, dessen Komponenten derzeit kaum bekannt sind, spielt bei der Koordination von Bildung und Umlagerung der Zellwandbestandteile eine wesentliche Rolle. Im vorliegenden Antrag werden Belege für eine wichtige Rolle der O-Glykoproteine vom Typ der Arabinogalaktan- Proteine (AGP) für die Zellvergrößerung präsentiert. Das FASCICLIN LIKE AGP 4 (FLA4) Gen von Arabidopsis thaliana ist für die normale Zellstreckung in Wurzeln notwendig. Wir verwenden eine fla4 Mutante und deren hier neu beschriebenen SUPPRESSOR LOCI OF fla4 (slof) als Modell zur Etablierung des genetischen Netzwerks in dem Zelloberflächenrezeptoren, Zellwandbestandteile und hormonelle Signale integriert werden. Diese neuen Loci sollen identifiziert und in ein genetisches und zelluläres Netzwerk integriert werden. Zur selben Zeit hat das Labor von Jose M. Estevez (Buenos Aires) die Rolle von AGPs für die Zellstreckung des Hypokotyls, durch einen pharmakogenetischen Mutantenscreen analysiert. Die geplante Kollaboration zielt auf die Integration der beiden Sammlungen neuer genetischer Loci in eine gemeinsames Netzwerk ab. Durch das beantragte Projekt soll ein erweitertes Verständnis der Wachstumskontrolle bei Pflanzen erzielt werden.

Das Wachstum einer Pflanzenzelle ist ein hochkomplexer Vorgang bei dem das Programm der Entwicklung kontinuierlich mit Umwelteinflüssen übereingestimmt werden muss. Das Ziel dabei ist die Zellwand in optimaler Festigkeit und Flexibilität aus Stoffen wie den langkettigen Zuckermolekülen Zellstoff, Hemizellulose und Pektin und verzuckerten Eiweißmolekülen wie z.B. den Arabinogalaktan Proteinen (AGP) herzustellen und umzuformen. Wie dieser Prozess reguliert wird, wird noch zu wenig verstanden. Man weiß zwar einiges über die Funktionen und die Synthese von Zellstoff und Co. aber nur sehr wenig über die Rolle von AGP. Ein bestimmtes AGP namens FLA4 ist besonders wichtig für die Pflanze. Mutanten denen das FLA4 Gen fehlt wachsen abnormal und es fehlt ihnen die natürliche Toleranz für salzhaltige Medien. Außerdem produzieren fla4 Mutanten abnormale Samen denen die natürliche Klebrigkeit ihrer Schleimhülle abhandengekommen ist. Meine Kollegen und ich haben uns in diesem Projekt auf FLA4 konzentriert um herauszufinden wo in der Zelle sich das Protein befinden und wie es sich bewegt. Wir hatten nur hypothetische Vorstellungen über die Struktur des Proteins und seiner Veränderungen in der Zelle die wir experimentell zeigen wollten. Außerdem war noch sehr wenig darüber bekannt wie sehr die Funktion von FLA4 mit der Verarbeitung verschiedener gut studierter Signale z.B. der von Pflanzenhormonen zusammenhängt. Durch einen gentechnischen Eingriff gelang es uns FLA4 mittels eines fluoreszierenden Proteins in lebenden Zellen sichtbar zu machen. Wir sahen FLA4 vor allem an der Grenzfläche zwischen aktiv wachsenden Zellen und deren Zellwand. Wir stellten fest, dass für Zellen ausreichend ist eine geringe Menge des Proteins in diese Region zu platzieren um normal zu wachsen. Durch künstliche Mutationen fanden wir heraus, dass Zellen verschiedene Zuckermoleküle an FLA4 anbringen - möglicherweise als Adress-Etiketten um es in die gewünschte Position zu bringen. Außerdem fanden wir heraus, dass FLA4 genetisch mit der Weiterleitung des Stress-Hormons Abscissinsäure und des Wachstumshormons Brassinosteroid zusammenhängt. Es könnte sich bei FLA4 also um einen neuartigen Molekülschalter handeln der den Zustand der Zellumgebung abtastet und an die Zelle weiterleitet und das Zellwandwachstum zu koordinieren. Die Klebrigkeit der Samenhülle wird durch FLA4 möglicherweise aber anders beeinflusst. Vermutlich agiert das Protein dort wie ein Verbundstoff zwischen Pektinmolekülen im Samenschleim. Wir hoffen durch unsere Beiträge zur Grundlagenforschung die Entwicklung verbesserter landwirtschaftlicher Pflanzensorten zu unterstützen.