Analyse regulatorischer Netzwerke in der Kontrolle von Blattepidermiszell-Morphogenese

• Antragstellerin: Professorin Dr. Katharina Bürstenbinder
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431219018

Die Entwicklung multizellulärer Organismen aus einer befruchteten Eizelle zu einem komplexen Organismus mit spezialisierten Geweben und Organen erfordert die präzise Koordination von Wachstum. Die grundlegenden Prozesse, die Wachstum steuern, sind Zellteilung und Zellexpansion. Während der Zellexpansion erlangen Zellen eine Vielzahl verschiedener Formen, die eng verknüpft mit spezialisierten Funktionen sind (Zelldifferenzierung). In Pflanzen ist Expansion durch die Zellwand begrenzt, die einzelne Zellen als eine feste Hülle außerhalb der Plasmamembran umschließt und benachbarte Zellen mechanisch miteinander verankert. Eine wichtige Rolle in der Biogenese der Zellwand spielt das pflanzliche Zytoskelett, das aus einem hochdynamischen dreidimensionalen Netzwerk aus Mikrotubuli und Aktinfilamenten besteht. Die gemeinsamen Aktivitäten von Zellwand und Zytoskelett, die durch komplexe Netzwerke aus Signalwegen koordiniert werden, übernehmen somit essentielle Funktionen in der Wachstumsregulation. Eine der komplexesten Zellformen in Pflanzen bilden Blattepidermiszellen, die mehrfache Ausstülpungen und Einbuchtungen entlang ihrer aneinander grenzenden Zellwände bilden. Neben ihrer wichtigen Funktion in der Regulation von Blattwachstum und dem Schutz der photosynthetisch aktiven Zellen sind Blattepidermiszellen daher ein beliebtes und geeignetes Modellsystem, um multipolares Wachstum im Kontext mechanisch verknüpfter Zellen zu untersuchen. Pharmazeutische und genetische Untersuchungen, vor allem in dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana, haben zahlreiche Faktoren identifiziert, die die Morphogenese von Blattepidermiszellen steuern. Die genauen Mechanismen, die zur Formgebung dieser Zellen beitragen, sind dennoch bislang wenig verstanden. In unseren Vorarbeiten haben wir ein Mitglied einer pflanzen-spezifischen Klasse von Mikrotubuli-assoziierten Proteinen, Arabidopsis IQ67 DOMAIN5 (IQD5), als einen neuen Regulator von Blattepidermiszellform und Zellwandzusammensetzung identifiziert, der vermutlich wichtige Funktionen in der Integration von Kalziumsignalen am Zytoskelett spielt. Darüber hinaus haben wir ein Software-Tool entwickelt, das erstmals eine vollautomatische Detektion und vergleichende quantitative Analyse von Blattepidermiszellformen aus mikroskopischen Aufnahmen ermöglicht. Erste eigene Untersuchungen innerhalb natürlich vorkommender Arabidopsis Ökotypen deuten auf einen hohen Grad intraspezifischer Varianz in der Blattepidermiszellform hin. Ziel dieses Projektes ist, die Funktion von IQD5 in der Regulation des Mikrotubuli-Zytoskeletts und in zellulären Signalwegen über revers-genetische und zellbiologische Ansätze zu untersuchen. Ergänzend planen wir, über vorwärts-gerichtete genetische Ansätze, wie der Untersuchung intraspezifischer genotypischer und phänotypischer Varianz und der Analyse von Mutantenkollektionen, neue Regulatoren zu identifizieren, um so zu der Entschlüsselung der Mechanismen beizutragen, die Morphogeneseprozesse steuern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen