Plant Cell Biology 2023
Gravity is one of the most important guiding factors for land plants that are actively adjusting the axis of their growth with respect to the force vector (gravitropism). Shoots show negative, roots show positive gravitropism. Leaves, twigs and lateral roots keep a certain angle with gravity (called plagiotropism). The direction of gravity is sensed by sedimenting amyloplasts that are pulling at microtubules, such that the minute forces produced by a single cell, are focussed and able to cross the energy of thermal noise, such that the cell can sense this as stimulus. Microtubules focus the force upon calcium channels such that a chemical signal chain is deployed - by the way, also we use microtubules for sensing of gravity. The calcium influx is then leading to phytohormonal changes, for instance, auxin is pumped asymmetrically, such that a curvature results, leading to readjustment of the plant. In parallel, jasmonic acid is generated - which not only sharpens the auxin gradient, but also activates stress-related metabolism, for instance the accumulation of secondary compounds. Between 1990 and 2005, our lab has dissected the cellular events that help to sense and process gravity. Recently, this knowledge has led to surprising applications. In cooperation with Vertical Farm Tech in Waldbronn we investigate the possibility to stimulate the accumulation of valuable plant compounds by gravity stimulation, in order to increase the quality of pharmaceutical plant products. The company has developed a first prototype that has been installed in our greenhouse. Using Mint as paradigm, we test out, what happens. Here, we know already quite a bit about the molecular mechanisms behind Mint scent. In the long term, we want to enable by this new technology the cultivation of rare medicinal plants such as Arnica, thus avoiding the need to collect those endangered species in the wild. The project has just obtained funding through the Baden-Württemberg Investment Programme. In order to render the process efficient, we need to find out, how the stimulation is best applied - this requires a deeper understanding into the cellular aspects of gravitropism in Mint. Where is the stimulus sensed? Where is the response to this stimulus? How does the information travel from the site of perception to the site of response? What is the role of jasmonates in the process? A similar study in rice coleoptiles can be used as template to design this research. Gutjahr et al. (2005).
Wahrnehmung von Integrität
Worum geht es?
Wenn sich Zellen zu einem Organismus zusammenschließen, ändert sich ihr Verhältnis zueinander dramatisch: aus der Konkurrenz der Einzelnen um Ressourcen und Überleben wird die Kooperation aller. Das eindeutigste Zeichen einer vollzogenen Selbstorganisation ist das Opfer einer einzelnen Zelle zum Wohle des Ganzen. Dieser sogenannte programmierte Zelltod findet sich bei allen vielzelligen Organismen, Vorstufen davon auch bei Kolonien von Einzellern. Wenn eine Zelle feststellt, dass sie beschädigt ist, hört sie auf, sich zu teilen und leitet den programmierten Zelltod ein. Dies stellt sicher, dass ein Organismus genetisch intakt und damit überlebensfähig bleibt. Für die Zelle selbst ist das natürlich ein Nachteil - sie selbst hat ja nichts von ihrem Opfer. Wenn eine Zelle zum Egoismus des Einzeldaseins zurückkehrt und sich munter weiter teilt, obwohl sie beschädigt ist, entsteht Krebs. Krebs bei Pflanzen gibt es eigentlich nicht, aber pflanzliche Zellen leiten häufig den programmierten Zelltod ein, wenn sie von Mikroben attackiert werden. Dies dämmt den Angreifer ein und erlaubt es, die befallene Stelle durch Vernetzung der Zellwände abzudichten. Wie aber können Pflanzenzellen ihre Integrität überhaupt wahrnehmen?
Der Actin-Membran-Sensor
Im Rahmen unserer Arbeiten zum chemical engineering suchen wir nach Wegen, um molekulare Werkzeuge durch die Membran von Pflanzenzellen zu schleusen. Bei diesen Forschungen entdeckten wir, dass viele dieser Trojanischen Pferde zwar erfolgreich in die Zelle eindringen, ohne dass sie ausläuft. Häufig beobachtet man jedoch nach einiger Zeit, dass das Actinskelett zu Bündeln organisiert wird und die Zelle einige Stunde später den programmierten Zelltod einleitet. Offenbar genügt also auch eine kurzzeitige Störung der Membranintegrität, um einen programmierten Zelltod auszulösen. Neben chemischen Trojanischen Pferden nutzen wir inzwischen hochenergetische, aber extrem kurze elektrische Impulse, sogenannte Nanosekunden Pulsed Electrical Fields (nsPEFs), um kurze Störungen der Membranintegrität auszulösen und gleichzeitig zu verstehen, wie die Zelle eigentlich in der Lage ist, ihre Integrität wahrzunehmen. Wir konnten inzwischen neben dem Actinskelett auch ein membranständiges Enzyme, die NADPH Oxidase, als wichtige Komponente des Integritätssensors identifizieren. Dieses Enzym erzeugt aus Superoxid-Anionen, eine besondere Form von reaktiven Sauerstoffspezies. Diese Superoxid-Anionen dienen als Signal für ein G-Protein, das wiederum Phospholipase D aktiviert, einen wichtigen Knotenpunkt der Signalverarbeitung. Dieser Signalknoten ist stromauf mit Auxin, dem wichtigsten Wachstumsregulator von Pflanzen, vernküpft, stromab mit Actinfilamenten und Mikrotubuli. Wir sind noch weit davon entfernt, diesen Actin-Membran-Sensor wirklich zu verstehen, aber wir haben inzwischen herausgefunden, dass Integrität über einen Fluss von Signalen durch dieses Sensorsystem gemessen wird - solange es fließt, signalisiert dieses System der Zelle, dass alles in Ordnung ist, in dem Augenblick, da der Fluss stockt, wird die Zellteilung angehalten, was bei Einzellern (wir arbeiten mit der Grünalge Chlamydomonas) dazu führt, dass die Zelle sich in Schleim einkapselt und Überdauerungs-Stadien bildet, während bei Vielzellern programmierter Zelltod eingeleitet wird. Um diesen Sensor für Integrität zu verstehen, genügt es nicht, seine molekularen Komponenten zu identifizieren, wir müssen verstehen, wie die Dynamik des Signalflusses wahrgenommen und in unterschiedliche Antworten der Zelle übersetzt wird.