Isolierung und Charakterisierung von Bor bindenden Komponenten der pflanzlichen Zellmembran
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bislang ist als Funktion von Bor (B) in Pflanzen nur die Stabilisiemng des Pektinnetzwerkes in der Zellwand gesichert bekannt. Es gibl aber zunehmend Hinweise, dass B weitere Funktionen ausübt, und dass eine ausreichende B-Versorgung z.B. auch für die Embryonalentwicklung von Tieren essenziell ist (Eckhert, 1998; Fort et al., 1998; 2002; Eckhert and Rowe, 1999; Rowe and Eckhert, 1999; Lanoue etal., 2000). Die Plasmamembran weist Glycoproteine auf, deren Zuckeranteile zumindest theoretisch ein hohes Bindungspotenzial für B besitzen. Es ist denkbar, dass B in der Membran ähnlich wie in der Zellwand eine Quervemetzung von Glykoproteinen oder —lipiden bewirkt und dadurch die Stabilität und Funktionalität der Membran gewährleistet. Bestimmte Membranbereiche, sog. Mikrodomänen, üben ganz spezifische Funktionen in Zellen aus, und sind durch eine auffallend große Anzahl an möglichen B-Bindungsstellen gekennzeichnet. Sie sind besonders in hoch-aktiven Mem bran Systemen vertreten, wie sie z.B. für die frühe (und äußerst B-empfindliche) Embryonalentwicklung typisch sind (Simons and Ikonen, 1997). In diesem Projekt wurde daher der Frage nachgegangen, welche Mem bran prote ine tatsächlich unter physiologischen Bedingungen B binden. Geprüft wurde auch, ob die B-Versorgung einen Einfluss auf die Zusammensetzung dieser Proteine hat und ob die Stabilisierung von Membran-Mikrodomänen beeinflusst wird. Hierzu wurden Bor-bindende Mem bran prote ine mit Hilfe von Affinitätschromatographie, Gelelektrophorese und Massenspektrometrie isoliert, aufgereinigt und identifiziert. Eine erstaunlich große Anzahl an Mem bran prote inen erwies sich als B-bindend. Sowohl in Arabidopsis- als auch in Mais-Wurzeln waren typischerweise verschiedene Untereinheiten von ATPasen sowie mit beta-Glucosidase und Myrosinase Vertreter der Glycosyl-Hydrolasen in der Bbindenden Fraktion vertreten. Viele der B-bindenden Proleine lagen in mehreren B-bindenden, aber auch in nicht-B-bindenden Formen vor. Nach 4-5 Tagen B-Mangel war der Anteil der B-bindenden Proteine deutlich reduziert. Dieses Ergebnis spricht dafür, dass Proteine ihre B-Bindungsfahigkeit durch Modifikationen, wie z.B. Glykosylierungen, erhalten. Die erfolgreiche Isolierung von Membran-Mikrodomänen wurde durch die Anreicherung typischer Proteine, wie z.B. PM ATPasen oder Proteine der PIP Familie bestätigt. Es zeigte sich, dass Faktoren, die die Stabilität von Membranen beeinflussen (wie z.B. die Ca-Versorgung), zu einer Änderung in der Zusammensetzung der Mikrodomänen führen kann. In Mikrodomänen aus B-Mangelpflanzen war das Proteinmusler im Vergleich zu Konlrollpflanzen ebenfalls verändert. Allerdings konnten diese Proteine aufgrund der sehr geringen Mengen bislang noch nicht identifiziert werden. Insgesamt sind alle erzielten Ergebnisse mit der Ausgangshypothese, B könnte an der Stabilisiemng von Membran-Mikrodomänen beteiligt sein, in Einklang. Überraschend war zunächst die große Anzahl der B-bindenden Proteine. Da viele dieser.Proteine aber bereits in früheren Arbeiten als Bestandteile von Mikrodomänen identifiziert wurden, spricht auch dieses Ergebnis dafür, dass B zu einer Anreicherung von Proteinen in solchen Membranbereichen beitragen könnte. Die Übereinstimmung B-bindender Proteine in einer dikotylen und einer monokotylen Pflanzenart deutet darauf hin, dass eine Funktion von B an der Membran eher genereller Art ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Boron 2005 (Wuhan, China, 2005): Isolation of boron binding plant membrane proteins. Interdisziplinärer Workshop "Proteomik in der Lebenswissenschaft" (12.10.2006, Gießen): "Membran-bindende und apoplastische Proteine unter B-Toxizität".
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DGP 2006 (Hohenheim): Does boron function at the plasma membrane? Isolation of B-binding membrane proteins from zucchini and barley using phenylboronic acid affinity chromatography.
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Goldbach HE und Wimmer MA (2007): Boron in plants and animals: Is there a role beyond cell-wall structure? J. Plant Nutr. Soil Sei. 170: 39-48.
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Goldbach HE, Huang L und Wimmer MA (2007). Boron functions in plants and animals: recent advances in boron research and open questions. In: Advances in Plant and Animal Boron Nutrition, Xu et al. (Eds), Springer, Dordrecht, The Netherlands, pp. 3-25.
