Mechanismus der Regulation des Wurzelwachstums durch Auxin

Pflanzen unterscheiden sich von Tieren in vielerlei Hinsicht, aber einer der auffallendsten Unterschiede ist die Sesshaftigkeit von Pflanzen. Auch die Pflanzenzellen können sich nicht fortbewegen und sind mit ihren Nachbarzellen zeitlebens verbunden. Form und Gestalt von Pflanzen ensteht einzig und allein durch die präzise Kontrolle der Orientierung von Zellteilungen sowie Ausmaß und Richtung des Zellwachstums. Pflanzenzellen haben starke Zellwände, welche unter hohem Druck (Turgor) stehen. Dieser Druck kann 15 bar betragen, was mit einem aufgeblasenen Rennradreifen vergleichbar ist. Um wachsen zu können müssen Pflanzenzellen das Gleichgewicht zwischen diesem hohen Druck und den Eigenschaften der Zellwände regulieren. Das Pflanzenhormon Auxin spielt dabei eine wichtige Rolle. Führt man den oberirdischen Organen Auxin zu, entspannen die Zellen ihre Zellwände und beginnen zu wachsen. Im Gegensatz dazu stoppt Auxin das Zellwachstum in den Wurzeln. Diese unterschiedliche zelluläre Antwort auf Auxin ist für die Tatsache verantwortlich, dass oberirdische Organe nach oben wachsen und Wurzeln nach unten. Nimmt man Pflanzen aus ihrer normalen Position, relativ zur Schwerkraft, heraus und dreht sie, reichert sich das Hormon Auxin auf der jeweils unteren Seite der Organe an, in den Wurzeln sowie im Spross. In dem hier vorgeschlagenenProjekt werdenwir versuchen die molekularen Mechanismenzu entschlüsseln, auf Basis derer Wurzeln ihr Wachstum nach Behandlung mit Auxin hemmen. Hierbei handelt es sich um eine grundlegende biologische Fragestellung, welche immer noch nicht vollständig beantwortet werden konnte. Wir werden ein Mikrofluidik-System entwickeln, mit dem wir Wurzeln mit einer bestimmten Auxinkonzentration behandeln und die Antwort der Zellen zeitgleich in einem Fluoreszenzmikroskop beoachten können. Wir werden auch die molekularen Komponenten, die nach Auxin Behandlung auftreten, durch die Analyse von Proteinmodifikationen untersuchen. Des Weiteren werden wir mit Hilfe der Next-Generation- Sequencing-Methode die Gene identifizieren, die an dieser Auxin-Reaktion beteiligt sind. Die Untersuchung der molekularen Wege, anhand derer Pflanzenzellen Wachstumshemmung und Wachstumsstimulation regulieren, wird uns helfen zu verstehen, wie Pflanzenzellen die feine Balance zwischen Zellwandeigenschaften und dem Turgordruck wahrnehmen und regulieren eine der essentiellen Eigenschaften von Pflanzen.

Dieses Projekt hatte das Verständnis der molekularen Grundlage des Gravitropismus der Wurzel zum Ziele die Fähigkeit der Wurzeln, mit dem Gravitationsfeld nach Wasser und Nährstoffen zu suchen. Wurzeln nehmen Gravitationsstimuli an ihrer Spitze wahr in den sogenannten Columella-Zellen von wo sie die Information über die geänderte Gravitationsrichtung mit Hilfe des Phytohormons Auxin an die Zellen der Epidermis weitergeben. Auxin inhibiert in kürzester Zeit die weitere Ausdehnung der entsprechenden Epidermiszellen, wodurch sich die Wurzel nach unten drehen kann. Obwohl dieses Phänomen eine der am Besten untersuchten Wirkungen von Auxin darstellt, ist der molekulare Mechanismus, der die Zellausdehnung verhindert, weitgehend ungeklärt. Für diese Studie entwickelten wir mittels eines spezifischen konfokalen Lasermikroskops eine technisch geeignete Methode in der Pflanzenwurzeln in ihrer natürlichen Wachstumsrichtung vertikal beobachtet werden können. Ausgestattet mit einer Software zum automatischen Verfolgen von Wurzelspitzen (root tip tracking) und einer Microfluidplattform war es möglich, die Auswirkungen diverser Stimuli auf Wurzeln in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu analysieren. In der Echtzeitanalyse nach Zugabe von Auxin konnten wir zeigen, dass Geschwindigkeit und Dynamik der Verhaltensänderung der Wurzeln das bis dahin postulierte Verständnis der Wirkung dieses Phytohormons infrage stellt: Wurzeln reagierten extrem schnell auf die Präsenz von Auxin, fingen aber auch sofort nach Entfernen des Hormons wieder zu wachsen an. Dies steht im Widerspruch zu dem bisherigen Verständnis der Auxinwahrnehmung und Signaltransduktion, bei der sich die Transkription von auxin-gesteuerten Genen verändert. Wir konnten unsere Hypothese mittels pharmakologischen Behandlungen, mathematischen Modellen, Genetik und synthetischer Biologie bestätigen. Deshalb postulieren wir einen neuartigen Zweig der auxin-gesteuerten Signaltransduktion, welcher im Gravitropismus der Wurzel aktiv ist. Die Ergebnisse dieser Studie haben Bedeutung über die Grenzen der Gravitationswahrnehmung in Wurzeln hinaus, da Auxinwahrnehmung für nahezu alle Aspekte des Lebens von Pflanzen entscheidend ist.