Analyse der frühen Wundreaktion in Pflanzen

Hertha-Firnberg-Stelle T 93Analyse der frühen Wundreaktion in PflanzenClaudia JONAK27.06.2000 Verwundung ist ein extremer Umweltstreß für Pflanzen. Sie kann durch mechanische Verletzung, durch Pathogene oder Herbivoren verursacht werden. Die Wundantwort beinhaltet u.a. reversible Protein Phosphorylierung, Synthese des Pflanzenhormons Jasmonsäure (JA), transkriptionelle Aktivierung unterschiedlicher Gruppen von Genen und metabolische Anpassung um den erhöhten Energiebedarf zu decken. Vor kurzem konnte ich zeigen, daß zwei neue Protein Kinasen aus der Futterluzerne, WAG (wund-aktivierte Glycogen Synthase Kinase) und WIG (wund-induzierte Glycogen Synthase Kinase) nach Verwundung aktiviert werden und sie daher an der Welterleitung der lokalen, unmittelbaren Antwort auf Verwundung beteiligt sein könnten. Ich beabsichtige die Rolle von WAG und WIG in der lokalen, frühen Wund-Signal-Transduktion zu untersuchen. Ein genetisch- biochemischer Ansatz wird vorgeschlagen um zu analysieren, (I) ob WAG und/oder WIG Kinasen die wund- induzierte Akkumulierung von JA regulieren, (II) ob p5OWAG und/oder p53WIG Funktion für die wund-induzierte Genexpression notwendig sind, (III) ob MAP Kinasen und WAG und WIG Kinasen auf dem selben oder auf unterschiedlichen Signalwegen liegen. Zusätzlich schlage ich vor mögliche Interaktionspartner der WAG und WIG Kinasen, die mittels eines "Yeast-Two-Hybrid-Screens" isoliert worden sind, zu charakterisieren. Diese Klone deuten darauf hin, daß WAG and WIG Kinasen Genexpression durch die Modulation von Transkriptionsfaktoraktivitäten regulieren könnten und sie ein Bindeglied zwischen der Signalkaskade und den wund-induzierten metabolischen Änderungen darstellen könnten.

Pflanzen sind permanent verschiedensten Stressen ausgesetzt, die ihr Wachstum und ihre Entwicklung stören oder sogar ihr Überleben gefährden. Verwundung ist ein extremer Umweltstress, der durch mechanische Verletzung, Pathogene oder Herbivoren verursacht wird. Als Organismen, die ihren Standort nicht wechseln können, besitzen Pflanzen hochentwickelte Mechanismen um diese Bedrohungen zu meistern. Um auf Stress antworten zu können, müssen Pflanzen zuerst den Umweltreiz erkennen und in zelluläre Signale umwandeln. Danach wird das Signal innerhalb der Zelle und durch die Pflanze kommuniziert. Dieser Prozess wird Signaltransduktion genannt und führt schließlich zur angemessenen physiologischen Antwort. Protein Kinasen sind wichtige Elemente dieser Signaltransduktionswege. Protein Kinasen sind Enzyme die Zielproteine phosphorylieren und dadurch deren Eigenschaften verändern. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine bestimmte Klasse von pflanzlichen Protein Kinasen, die "glycogen synthase kinase 3/shaggy-like kinases" (GSKs) studiert. Biochemische Experimente zeigten, dass WIG (wund-induzierte GSK) in verwundeten Blättern aktiviert wird. Wir konnten zeigen, dass die Aktivität der WIG Kinase in gesunden Blättern niedrig ist, aber durch Verwundung rasch und transient induziert wird. Daher gehört die Aktivierung von WIG zur unmittelbaren Antwort der Pflanze auf Verwundung. Im Laufe des Forschungsprojekts untersuchten wir, ob GSKs auch an anderen Stressantworten in Pflanzen beteiligt sind. Wir setzten Wurzeln verschiedenen Stressbedingungen aus und analysierten die GSK Aktivität. Wir fanden, dass die Aktivität von MsK4 unter normalen Wachtumsbedingungen niedrig ist. Jedoch Behandlung der Wurzeln mit hohen Salzkonzentrationen führte zur raschen Induktion von MsK4 Aktivität. Dies weist darauf hin, dass MsK4 an der Salzstress-Signaltransduktion beteiligt sein könnte. Intensive Bewässerung und Düngung führte in vielen Regionen der Erde zur Versalzung der Böden. Diese Entwicklung ist ein immer größer werdenden Problem für das Wachstum und deren Ertrag von Feldfrüchten. Deshalb ist die genaue Kenntnis der Signaltransduktion bei Salzstress von großer Bedeutung. Wir analysierten den Einfluß der Funktion von MsK4 näher und generierten Pflanzen, die MsK4 permanent überexprimieren. Anschließende Salztoleranztests zeigten, dass Pflanzen, die MsK4 überexprimierten, resistenter als Kontrollpflanzen gegenüber hohen Salzkonzentrationen waren. Die Lokalisierung von Signalkomponenten innerhalb der Zelle ist wesentlich für ihre Funktion. Wir untersuchten die subzellularen Lokalisation von MsK4 und konnten zeigen, dass MsK4 in stärkehältigen Plastiden lokalisiert ist. Stärke ist ein Glukosepolymer und von großer Bedeutung als Energie- und Kohlenstoffspeicher. Der pflanzliche Stärkemetabolismus reagiert sensible auf Veränderungen in der Umwelt. Salzstress führt zur Mobilisierung von Kohlenstoff aus Stärke. Unsere Resultate weisen darauf hin, dass MsK4 daran beteiligt sein könnte den Kohlenstoffmetabolismus auf Umweltstressbedingungen anzupassen. Zur Zeit untersuchen wir diese Hypothese.