The role of anion channels in polarity control of tip growing plant cells
Plant Physiology
Final Report Abstract
In Anlehnung an das Vorgängerprojekt sollte dieses Folgeprojekt die Rolle von Anionenkanälen bei pflanzlichen Wachstumsprozessen weiter aufklären. Ein besonders gut geeignetes Modellsystem für pflanzliches Wachstum stellen Pollenschläuche dar, deren Zellelongation ausschließlich an der Spitze stattfindet. Dieses Spitzenwachstum ist für die pflanzliche Reproduktion von entscheidender Bedeutung. Der Pollenschlauch muss tief ins Innere des weiblichen Blütengewebes wachsen, um die Spermzellen zu den weiblichen Ovarien zu transportieren. Als essentielle Voraussetzung für das Spitzenwachstum von Pollenschläuchen gilt ein Gradient in der cytoplasmatischen Ca2+- Konzentration ([Ca2+]cyt). Neben dem apikalen Ca2+-Influx gilt ein massiver Anionenefflux ebenfalls als essentiell. Zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit, dem [Ca2+]cyt Gradienten und dem apikalen Anionen-Efflux konnte im Vorgängerprojekt ein direkter Zusammenhang herausgearbeitet werden. Hierbei korreliert ein stark ausgeprägter [Ca2+]cyt Gradient und apikaler Anionenefflux mit hohen Wachstumsgeschwindigkeiten. Welche Rolle der Anionenefflux für das Zellwachstum spielt, und welcher regulatorischen Kontrolle dieser unterliegt, sollte in diesem Projekt untersucht werden. Der Einsatz einer einzigartigen Kombination von Fluoreszenzmikroskopie, Elektrophysiologie und Molekulargenetik trug hier entscheidend zum Erfolg dieses Projektes bei und ermöglichte es uns die Zusammenhänge zwischen dem Anionentransport und Zellwachstum weitestgehend zu entschlüsseln. Mittels der „Two-Electrode Voltage-Clamp“ (TEVC)-Technik waren wir in der Lage spannungsabhängige plasmamembranständige Ca2+-Kanäle zu aktivieren um die [Ca2+]cyt in wachsenden Pollenschläuchen gezielt zu manipulieren. Dies ermöglichte uns den kausalen Zusammenhang zwischen einer [Ca2+]cyt Erhöhung, den Anionenströmen und der cytosolischen Anionenkonzentration ([Anionen]cyt) zeitlich und räumlich aufzuklären. Im Vorgängerprojekt konnten wir die Rolle des S-typ (slow-type) Anionenkanals SLAH3 für das Pollenschlauchwachstum aufzeigen. In dem hier durchgeführten Projekt konnte die Beteiligung von drei weiteren R-type (rapid-type) Anionenkanälen nachgewiesen werden. Den Ca2+-abhängigen Proteinkinasen (CPKs) CPK2, CPK20 und CPK6 konnte sowohl eine maßgebliche Rolle in der Regulation von SLAH3 als auch der R-typ Anionenkanäle ALMT12, ALMT13 und ALMT14 zugesprochen werden. ALMT13 und ALMT14 konnten hier zum ersten Mal als plasmamembranständige Anionenkanäle beschrieben werden. Die Interaktion und Steuerung von SLAH3, ALMT12, ALMT13 und ALMT14 durch CPK2, CPK20 und CPK6 konnte mit Hilfe von unterschiedlichen Techniken untermauert werden. Die physiologische Relevanz dieses Ca2+- abhängigen Signalwegs zur Anionenkanalaktivierung für das Pollenschlauchwachstum konnte durch entsprechende Verlustmutanten überzeugend in vitro und in vivo herausgearbeitet werden. Neben dem Spitzenwachstum von Pollenschläuchen ist auch das von Pilzhyphen, Wurzelhaaren oder auch die gerichtete Migration von tierischen Zellen an einen [Ca2+]cyt (Mikro-)Gradienten gebunden. Der hier beschriebene Ca2+-abhängige Signalweg zur Steuerung von Anionenkanälen könnte als ein allgemeingültiger Mechanismus zur Etablierung von Zellpolarität verstanden werden. Diese Hypothese ist konform mit aktuellen Ergebnissen aus der tierischen Forschung zur Zell- und Gewebe-Polarität, bei der Ionenströme und insbesondere Ca2+-abhängige Anionenströme beteiligt sind. In der tierischen Forschung geht man aktuell davon aus, das durch einen gerichteten Ionenstrom ein bioelektrisches Feld erzeugt wird, welches die gerichtete Geweberegeneration oder die Entstehung von Zell- und Gewebepolarität terminiert. Solche bio-elektromagnetischen Felder konnte man bereits in den 1970er Jahre an Pollenschläuchen und anderen Modellorganismen nachweisen. In dem hier bearbeiteten Projekt konnten wir die Grundlagen zur Entstehung und Steuerung dieses bio-elektromagnetischen Feldes in Pollenschläuchen herausarbeiten.
Publications
- (2014). Pollen tube NAD(P)H oxidases act as a speed control to dampen growth rate oscillations during polarized cell growth. The Plant Journal 78, 94-106
Lassig R, Gutermuth T, Bey TD, Konrad KR, Romeis T
(See online at https://doi.org/10.1111/tpj.12452) - (2018) Spatio-temporal aspects of Ca2+ signalling: Lessons from guard cells and pollen tubes. Journal of Experimental Botany JEXBOT-2018-221648
Konrad KR, Maierhofer T, Hedrich R
(See online at https://doi.org/10.1093/jxb/ery154) - (2018) Tip-localized Ca2+-permeable channels control pollen tube growth via kinase-dependent R- and S-type anion channel regulation. New Phytol 218: 1089-1105
Gutermuth T, Herbell S, Lassig R, Brosché M, Romeis T, Feijó JA, Hedrich R, Konrad KR
(See online at https://doi.org/10.1111/nph.15067)
