Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

Klaus Palme bei der Pflege der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana (Bild: Klaus Palme).
tieren, dass viele der beteiligten Gene in der Biosynthese, dem
Transport, der Wirkung und dem Abbau des Pflanzenhormons
Auxin wirken (Ditengou et al., 2008; Paponov et al., 2008). Diese
verschiedenen Aktivitäten sind in Abbildung 2 in einem Gennetzwerkmodell
zusammengefasst. Wir konnten die zentrale
Rolle von Auxin und dessen polarem Transport bei der Kontrolle
des Seitenwurzelwachstums belegen (Teale et al., 2008).
Alle Genexpressionsdaten deuten darauf hin, dass eine Umleitung
des Auxin-Flusses dazu führt, dass sich durch ungleiche
Zellteilung die „Initialzellen“ des neuen Wurzelprimordiums
bilden – der Bildungsort der neuen Seitenwurzeln. Dabei kontrolliert
das Repressorprotein IAA14 die Auxin-spezifischen
Transkriptionsfaktoren ARF7 und ARF19. Wenn die Proteine
ARF7 und ARF19 fehlen, kann sich keine Seitenwurzel entwickeln.
Da beide Proteine in einem späteren Stadium die Seitenwurzelentwicklung
blockieren, klärten wir, welche Reaktionen
nach dem mechanischen Impuls aktiviert werden.
Zeitliche Abfolge von Reaktionen im Wurzelgewebe
Um die Signalprozesse, welche die Wurzelbildung aus teilungsfähigem
Gewebe (Perizykelzellen) einleiten, auf zellulärer Ebene
verfolgen zu können, wurden Reportergene für Wurzelwachstumsprozesse
in die Pflanzen eingeführt. Auf diese Weise ist es möglich,
Auskunft über die zeitlich-räumliche Abfolge der Vorgänge
in einer einzelnen Zelle zu erhalten, die nach der mechanischen
Biegung einer Wurzelpartie ablaufen. Als Reporter dienten zum
einen die polar in Zellen lokalisierten Proteine PIN1 und PIN2, die
vermutlich für den gerichteten Ausstrom von Auxin aus Zellen
verantwortlich sind. Zum anderen wurde ein durch Auxin aktivierbarer
Promotor (DR5) genutzt, um Auskunft darüber zu erhalten,
in welchen Zellen eine Antwort auf das Auxinsignal erfolgt
und wie stark diese Aktivierung ist. Wie in Abbildung 3 zu sehen
ist, wurden PIN1 (grün) und PIN2 (rot) in Zellen unterschiedlicher
Polarität lokalisiert. PIN2 ändert nach mechanischer Biegung
seine Position nicht. PIN1 hingegen ändert seine Position etwa
drei Stunden nach der Krümmung und ist nun auf der entgegengesetzten
Seite zu finden. Durch diese Umordnung kommt es in
diesen Zellen zu einer Blockade des Auxintransports. Wir konnten
entlang der Biegestelle mithilfe des DR5 Reporters zwei Stunden
nach der Umlagerung von PIN1 einen lokalen Auxinstau mikroskopisch
nachweisen. Auxin wird dann vom Auxintransportprotein
AUX1 in die benachbarten Perizykelzellen gepumpt, wo es die
Zellteilung und die Anlage des neuen Seitenorgans induziert.
Der „4D Analyzer“ – eine Mikroskopieplattform für
Live Cell Imaging
Biologische Signalsysteme zeichnen sich durch eine hohe
Mobilität chemischer Signale, die flexible Lokalisation von
Abbildung 2: Gennetzwerkmodell der Arabidopsis-Wurzel
Links: periodische Oszillation des Auxinreporters
DR5 in Krümmungszonen. Rechts:
Gennetzwerkmodell der Regulation von
Genen, die in der Auxinantwort eine wichtige
Rolle spielen.
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Forschung Auf den Spuren des Pflanzenwachstums
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