Calcium-abhängige Proteinkinasen in Arabidopsis thaliana

Pflanzen müssen sich aufgrund ihrer sesshaften Lebensform ständig an veränderte Lebens-bedingungen anpassen. Dafür haben sie eine Reihe biochemischer mechanismen entwickelt, um Signale aus ihrer Umwelt wie z. B. verschiedene Arten von Stress (Trockenheit, Kälte, Salz, oder Pathogenbefall) zu erkennen und mit einer einen entsprechenden Adaption ihres Stoffwechsels auf diese veränderten Umweltbedingungen zu reagieren. Viele dieser extrazellären Signale bewirken einen plötzlichen Anstieg der zellulären Calcium-Konzentration in Pflanzenzellen. Calcium ist ein weitverbreiteter "second messenger" in eukaryotischen Zellen, und hat eine dominierende Rolle in der Signaltransduktion in Pflanzenzellen. Änderungen in der zellulären Calcium-Konzentration führen zu der Aktivierung einer Signal-transduktions Kaskade, in der Signale durch eine Kette von Proteinkinasen wie z.B. calcium abhängige Protein kinasen (CDPKs) weitergeleitet werden. Die kleine Pflanze Arabidopsis thaliana wird in der Pflanzenforschung weltweit als Modellorganismus eingesetzt. Das Arabidopsis Genom wurde mittlerweile komplett sequenziert und codiert 34 verschiedene CDPKs. Eine Reihe dieser CDPKs haben unterschiedliche sub-zelluläre Lokalisierungen. Wir untersuchen in unserem Projekt die biologische Funktion einer chloroplasten-assoziierten CDPK in der Stressadaption von Pflanzenzellen mit biochemischen und genetischen Methoden. Das Verständnis der Mechanismen mit denen Pflanzen Signale erkennen und diese dann innerhalb der Zelle in eine physiologische Anpassung umsetzen, ist eine fundamentale Frage in der Biologie.

Dieses Projekt untersuchte die Rolle von Kalzium in der Regulation von pflanzlichen Reaktionen auf externe Stimuli wie z.B. geänderte Wachstumsbedingungen oder Stzress-Situationen. Solche Signale lösen plötzliche Änderungen der freien Kalziumkonzentrationen aus, die wiederum kalziumabhängige Proteinkinasen (CDPKs) aktivieren. Diese Proteinkinasen wirken als zelluläre Schalter, die pflanzliche Reaktionen auf molekularer Ebene ein- oder ausschalten können. In diesem Projekt haben eine bestimmte Kinase auf molekularer Ebene näher untersucht. Um zu verstehen, wie diese Kinase arbeitet, mussten wir erst ihre genaue zelluläre Lokalisierung kennen und weiter herausfinden, welche Zielproteine sie reguliert. Dabei stellte sich heraus, dass diese Kinase an bevorzugt Zellmembranen "klebt" und einen Faktor reguliert, der die Genexpression steuert. Das diese Kinase eine zentrale Rolle für die Anpassung an Stress in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana spielt, zeigt der Phänotyp von Pflanzen, die entweder keine funktionelle Kinase mehr besitzen (Knockout) oder eine erhöhte Aktivität dieser Kinase haben (Überexpressor). Die Knockout-Pflanzen sind sehr sensitiv unter Salzstressbedingungen und die Überexpressor-Pflanzen können erheblich besser auf Medien mit erhöhtem Salzgehalt wachsen. Das genauere Verständnis dieser Prozesse kann in der Zukunft für die Züchtung robusterer Arten verwendet werden, wenn die Gene bekannt sind, die diese Prozesse regulieren.