@phdthesis{Hettwer2024,
  author    = {Hettwer, Anette},
  title     = {Entwicklung und Charakterisierung einer l{\"o}slichen und funktionalen BMP-2-Variante},
  doi       = {10.25972/OPUS-32680},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-326800},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) sind potente Differenzierungs- und Wachstumsfaktoren, die strukturell der Transforming Growth Factor-β (TGF-β) - Superfamilie zugeordnet werden. Sie spielen eine Schl{\"u}sselrolle in einer Vielzahl an zellul{\"a}ren Prozessen ab den fr{\"u}hen Stadien der Embryogenese. Dadurch sind BMPs nicht nur f{\"u}r die korrekte Festlegung der embryonalen K{\"o}rperachse verantwortlich, sondern regulieren als multifunktionale Mediatoren neben der Morphogenese auch Proliferation, Differenzierung und Apoptose unterschiedlicher Zelltypen. Bone Morphogenetic Proteins sind somit f{\"u}r die Aufrechthaltung der Hom{\"o}ostase im adulten K{\"o}rper mitverantwortlich. Ihre Funktionalit{\"a}t vermitteln die BMPs {\"u}ber eine Signalkaskade, indem sie als dimeres Protein spezifische transmembrane Serin/Threonin-Kinaserezeptoren von Typ I und Typ II in einem heteromeren Komplex assemblieren. Die intrazellul{\"a}re Signalweiterleitung verl{\"a}uft {\"u}ber verschiedene Signalkaskaden (Smad-Proteine oder MAPKs), wodurch final im Zellkern {\"A}nderungen auf der Ebene der Gentranskription ausgel{\"o}st werden. Laut der namensgebenden Eigenschaft fungieren einige Wachstumsfaktoren als aktive Induktoren der Knochenbiosynthese. Ihre Anwesenheit ist essentiell f{\"u}r die vielen zellul{\"a}ren Prozesse, die w{\"a}hrend einer Frakturheilung auftreten, wobei eine Knochenneubildung ebenso stark abh{\"a}ngig ist vom Zusammenspiel verschiedener Stimulatoren und Inhibitoren, die die BMPs in ihrer Aktivit{\"a}t regulieren. Bedingt durch ihr großes Potential fanden die erstmals durch Marshal Urist 1965 aus Knochenmaterial isolierten BMP-Proteine ihren Einsatz in der regenerativen Medizin. Kommerziell erh{\"a}ltlich und bereits seit vielen Jahren in der klinischen Anwendung befindet sich derzeit das rhBMP-2 und rhBMP-7. Diese beiden Wachstumsfaktoren werden u.a. verwendet, um die Heilungsprozesse von langwierigen Schienbeinfrakturen zu verbessern, aber auch bei degenerativen Wirbels{\"a}ulenerkrankungen und in der Kieferchirurgie. Jedoch f{\"u}hrt die schlechte L{\"o}slichkeit des BMPs aufgrund der ausgepr{\"a}gten Aggregationstendenz zu gravierenden Problemen, nicht nur w{\"a}hrend der biotechnologischen Herstellung, sondern auch bei der klinischen Anwendung. Der Schwerpunkt des Optimierungsbedarfs der BMP-2 Herstellung im Rahmen dieser Doktorarbeit lag daher auf der Etablierung eines prokaryotischen Expressionssystems f{\"u}r die l{\"o}sliche Produktion von BMP-2. Daf{\"u}r wurde zun{\"a}chst der Fokus auf die ung{\"u}nstigen L{\"o}slichkeitseigenschaften des Wachstumsfaktors gelegt. Um die hohe Aggregationsneigung des BMP-2 w{\"a}hrend der Produktion in Escherichia coli zu minimieren, wurden anhand einer Algorithmus-basierten Analyse BMP-2-Varianten entworfen, in denen Aminos{\"a}uren mit stark hydrophoben Eigenschaften gegen solche mit hydrophilem Charakter ausgetauscht wurden. Hierdurch konnten die zur Aggregation neigenden Bereiche des BMP-2 weitestgehend eliminiert werden. Es wurden f{\"u}r die bez{\"u}glich ihrer L{\"o}slichkeit optimierten Proteinvarianten unterschiedliche Expressionsstrategien etabliert, wodurch dimere BMP-2-Muteine in angepassten chromatographischen Profilen mit einem Aufreinigungsschritt und ohne jegliche Renaturierungsmaßnahmen gewonnen wurden. Allerdings verbleiben hierbei Restmengen an bakteriellen Kontaminationen, die vorwiegend aus endogenen ribosomalen E. coli-Proteinen stammen und nicht vollst{\"a}ndig entfernt werden konnten. W{\"a}hrend der umfassenden in vitro Charakterisierung der BMP-2-Varianten konnte durch massenspektroskopische Analysen die Gesamtmasse beider Zielproteine best{\"a}tigt werden, wobei sequenzspezifische Fragmente eine eindeutige Identifikation der eingebrachten Mutationen erm{\"o}glichten. CD-spektroskopische Analysen erweitert um Auswertealgorithmen konnten die wesentlichen Wt-BMP-2-typischen Sekund{\"a}rstrukturelemente identifizieren. Die neu generierten BMP-2-Varianten zeigen in der dynamischen Lichtstreuungsanalyse stark verminderte Aggregationstendenz im Vergleich zum Wildtyp-BMP-2. Dessen Aggregationsverhalten wurde durch die kombinierte Analytik seiner mikrofluidischen Diffusion und der dynamischen Lichtstreuung zum ersten Mal {\"u}ber den Konzentrationsbereich von 0.5 µM bis 100 mM genau charakterisiert. Erste zellbiologische Versuche verliefen ohne Erfolg, wodurch die biologische Aktivit{\"a}t der BMP-Varianten nicht abschließend gekl{\"a}rt werden konnte. Die simple Methode zur Expression und Aufreinigung der hydrophilisierte BMP-2-Muteine aus dieser Dissertation kann leicht in einen gr{\"o}ßeren Produktionsmaßstab {\"u}berf{\"u}hrt werden. BMP 2 kann dadurch schneller und kosteng{\"u}nstiger hergestellt werden. Final bleibt es jedoch erforderlich, die biologische Aktivit{\"a}t der neuen l{\"o}slichen BMP-2-Varianten vollst{\"a}ndig zu charakterisieren, um deren ganzes Funktionsspektrum zu entdecken. Der Fokus weiterer Forschung sollte zudem auf die verbleibende Oligomerisierungstendenz und die bestehende Kontamination mit Fremdproteinen gelegt werden, da diese beiden Faktoren letztendlich die Ausbeute an dimeren BMP-2 Varianten aus diesem System derzeit minimieren.},
  subject      = {Knochen-Morphogenese-Proteine},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Henninger2022,
  author    = {Henninger, Markus},
  title     = {Funktion der zentralen metabolischen Kinase SnRK1 und von ihr abh{\"a}ngiger Transkriptionsfaktoren bei der Mobilisierung von Speicherstoffen w{\"a}hrend der \(Arabidopsis\) Keimlingsentwicklung},
  doi       = {10.25972/OPUS-21430},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-214305},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Pflanzen m{\"u}ssen sich w{\"a}hrend der Samenkeimung und Keimlingsentwicklung {\"u}ber eingelagerte Speicherstoffe heterotroph versorgen, bis sie, nach Etablierung ihres Photosyntheseapparats, einen autotrophen Lebensstil f{\"u}hren k{\"o}nnen. Diese Arbeit geht von der Hypothese aus, dass der evolution{\"a}r konservierten zentral-metabolischen Kinase Snf1-RELATED PROTEIN KINASE 1 (SnRK1) eine besondere Rolle bei der Mobilisierung von Speicherstoffen w{\"a}hrend der Keimlingsentwicklung zukommt. W{\"a}hrend die Bedeutung von SnRK1 als zentraler Regulator katabolischer Prozesse unter Energiemangel- und Stresssituationen bereits gezeigt wurde, war die Funktion von SnRK1 im Zusammenhang mit der Samenkeimung weitgehend ungekl{\"a}rt. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass SnRK1 in Arabidopsis die Mobilisierung und Degradation von Speicherstoffen, insbesondere von Triacylglyceride (TAGs), Samenspeicherproteinen und Aminos{\"a}uren, steuert. Sowohl Studien zur Lokalisation von SnRK1:GFP-Fusionsproteinen als auch Kinaseaktivit{\"a}tsassays unterst{\"u}tzen eine m{\"o}gliche Funktion von SnRK1 w{\"a}hrend der Keimlingsentwicklung. Eine induzierbare snrk1-knockdown Mutante zeigt neben einem eingeschr{\"a}nkten Wurzel- und Hypokotylwachstum auch keine Ausbildung eines Photosyntheseapparats, was die zentrale Rolle der SnRK1 in diesem fr{\"u}hen Entwicklungsstadium untermauert. Durch F{\"u}tterungsexperimente mit Glukose konnte der Ph{\"a}notyp einer snrk1 -Mutante in Keimlingen gerettet werden. Dies zeigt, dass der metabolische Block durch externe Gabe von Kohlenhydraten umgangen werden kann. Die zentrale Funktion von SnRK1 ist folgich der Abbau von Speicherstoffen und keine allgemeine Deregulation des pflanzlichen Stoffwechsels. Durch massenspektrometrische Untersuchungen von Keimlingen des Wildtyps und der snrk1-Mutante konnte gezeigt werden, dass TAGs in der Mutante in der sp{\"a}- ten Keimlingsentwicklung ab Tag 4 langsamer abgebaut werden als im Wildtyp. Ebenso werden Samenspeicherproteine in der Mutante langsamer degradiert, wodurch die Verf{\"u}gbarkeit von freien Aminos{\"a}uren in geringer ist. Entgegen der allgemeinen Annahme konnte gezeigt werden, dass w{\"a}hrend der Keimlingsentwicklung zumindest in Arabidopsis, einer {\"o}lhaltigen Pflanze, zun{\"a}chst Kohlenhydrate in Form von Saccharose abgebaut werden, bevor die Degradation von TAGs und Aminos{\"a}uren beginnt. Diese Abbauprodukte k{\"o}nnen dann der Glukoneogenese zugef{\"u}hrt werden um daraus Glukose herzustellen. Mittels Transkriptom-Analysen konnten zentrale SnRK1-abh{\"a}ngige Gene in der Speicherstoffmobilisierung von TAG, beispielsweise PEROXISOMAL NAD-MALATE DEHYDROGENASE 2 (PMDH2) und ACYL-CoA-OXIDASE 4 (ACX4), und Aminos{\"a}uren identifiziert werden. Somit wurde ein Mechanismus der SnRK1-abh{\"a}ngigen Genregulation w{\"a}hrend der Samenkeimung in Arabidopsis gefunden. Bei der Degradation von Aminos{\"a}uren wird die cytosolische PYRUVATE ORTHOPHOSPHATE DIKINASE (cyPPDK), ein Schl{\"u}sselenzym beim Abbau bestimmter Aminos{\"a}uren und bei der Glukoneogenese, SnRK1-abh{\"a}ngig transkriptionell reguliert. Durch Koregulation konnte der Transkriptionsfaktor bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63) gefunden werden, dessen Transkription ebenfalls SnRK1-abh{\"a}ngig reguliert wird. Außerdem konnte die Transkription von cyPPDK in bzip63-Mutanten nur noch sehr schwach induziert werden. In Protoplasten konnte der cyPPDK-Promotor durch Aktivierungsexperimente mit bZIP63 und SnRK1α1 induziert werden. Durch Mutationskartierung und Chromatin-Immunopr{\"a}zipitation (ChIP)PCR konnte mehrfach eine direkte Bindung von bZIP63 an den cyPPDK-Promotor nachgewiesen werden. Zusammenfassend ergibt sich ein mechanistisches Arbeitsmodell, in dem bZIP63 durch SnRK1 phosphoryliert wird und durch Bindung an regulatorische G-Box cis-Elemente im cyPPDK- Promotor dessen Transkription anschaltet. Infolgedessen werden Aminos{\"a}uren abgebaut und wird {\"u}ber die Glukoneogenese Glukose aufgebaut. Dieser Mechanismus ist essentiell f{\"u}r die {\"U}bergangsphase zwischen heterotropher und autotropher Lebensweise, und tr{\"a}gt dazu bei, die im Samen vorhandenen Ressourcen dem Keimling zum idealen Zeitpunkt zug{\"a}nglich zu machen. Dar{\"u}ber hinaus werden Gene im Abbau von verzweigtkettigen Aminos{\"a}uren ebenfalls durch bZIP63 reguliert. Dabei wird dem Keimling Energie in Form von Adenosin-Triphosphat (ATP) zur Verf{\"u}gung gestellt. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Mobilisierung von Speicherstoffen auch w{\"a}hrend der Keimlingsentwicklung direkt von SnRK1 abh{\"a}ngig ist. Die umfangreichen Datens{\"a}tze der RNA-Seq-Analysen bieten zudem die M{\"o}glichkeit, weitere SnRK1-abh{\"a}ngige Gene der Speichermobilisierung zu identifizieren und somit einem besseren Verst{\"a}ndnis der Keimlingsentwicklung beizutragen. Aufgrund der zentralen Bedeutung der SnRK1-Kinase in diesem entscheidenden Entwicklungsschritt ist davon auszugehen, dass diese Erkenntnisse mittelfristig auch f{\"u}r bessere Keimungsraten und somit bessere Ertr{\"a}ge in der Landwirtschaft genutzt werden k{\"o}nnen.},
  subject      = {SnRK1},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schaebler2022,
  author    = {Sch{\"a}bler, Stefan},
  title     = {Charakterisierung des circadianen Drosophila Metaboloms unter Zuhilfenahme massenspektrometrischer Methoden},
  doi       = {10.25972/OPUS-25190},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-251908},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Die F{\"a}higkeit sich an die Rotation der Erde und den daraus resultierenden Tag- und Nacht-Rhythmus anzupassen, basiert auf einer komplexen Regulation verschiedener physiologischer Prozesse. Auf molekularer Ebene liegt diesen Prozessen eine Orchestration von Uhr-Genen zugrunde - auch als innere Uhr bezeichnet - die einen aktivierenden bzw. reprimierenden Einfluss auf die Expression einer Vielzahl weiterer Gene hat. Ausgehend von dieser Regulation lassen sich auf unterschiedlichsten Ebenen tageszeitabh{\"a}ngige, wiederkehrende Rhythmen beobachten. W{\"a}hrend diese wiederkehrenden Rhythmen auf einigen Ebenen bereits gut erforscht und beschrieben sind, gibt es weitere Ebenen wie den Metabolismus, {\"u}ber die das Wissen bisher noch begrenzt ist. So handelt es sich bei Drosophila beispielsweise um den Organismus, dessen innere Uhr auf molekularer Ebene wahrscheinlich mit am besten charakterisiert ist. Dennoch ist bisher nur wenig {\"u}ber Stoffklassen bekannt, deren Metabolismus durch die innere Uhr kontrolliert wird. Zwar konnte bereits gezeigt werden, dass sich eine gest{\"o}rte innere Uhr auf die Anlage der Energiespeicher auswirkt, inwiefern dies allerdings einen Einfluss auf dem intermedi{\"a}ren Stoffwechsel hat, blieb bisher weitgehend unerforscht. Auch die Frage, welche Metaboliten wiederkehrende, tageszeitabh{\"a}ngige Rhythmen aufweisen, wurde bisher nur f{\"u}r eine begrenzte Anzahl Metaboliten untersucht. Bei der hier durchgef{\"u}hrten Arbeit wurden deshalb zun{\"a}chst die globalen Metabolit-Profile von Fliegen mit einer auf molekularer Ebene gest{\"o}rten inneren Uhr (per01) mit Fliegen, die {\"u}ber eine funktionale Uhr verf{\"u}gen (CantonS), zu zwei Zeitpunkten verglichen. Um die Anzahl der zeitgleich untersuchten Gewebe und somit die Komplexit{\"a}t der Probe zu reduzieren, wurden hierf{\"u}r die K{\"o}pfe von den K{\"o}rpern der Fliegen getrennt und separat analysiert. Beide K{\"o}rperteile wurden sowohl auf kleine hydrophile als auch auf hydrophobe Metaboliten hin mittels UPLC-ESI-qTOF-MS untersucht. Die anschließend durchgef{\"u}hrte, statistische Analyse brachte hervor, dass sich Unterschiede zwischen den beiden Fliegenlinien besonders in den Spiegeln der essentiellen Aminos{\"a}uren, den Kynureninen, den Pterinaten sowie den Spiegeln der Glycero(phospho)lipiden und Fetts{\"a}ureester zeigten. Bei den Lipiden zeigte sich, dass die Auswirkungen weniger ausgepr{\"a}gt f{\"u}r die Anlage der Speicher- und Strukturlipide als f{\"u}r die Intermediate des Lipidabbaus, die Diacylglycerole (DAGs) sowie die Acylcarnitine (ACs), waren. Um zu best{\"a}tigen, dass die inneren Uhr tats{\"a}chlich einen regulatorischen Einfluss auf die ausgemachten Stoffwechselwege hat, wurden anschließend die Spiegel aller Mitglieder darauf hin untersucht, ob diese wiederkehrende, tageszeitabh{\"a}ngige Schwankungen aufweisen. Hierf{\"u}r wurden Proben alle zwei Stunden {\"u}ber drei aufeinanderfolgende Tage genommen und analysiert, bevor mittels JTK_CYCLE eine statistische Analyse der Daten durchgef{\"u}hrt und die Metaboliten herausgefiltert wurden, die ein rhythmisches Verhalten bei einer Periodenl{\"a}nge von 24h zeigten. Hierbei best{\"a}tigte sich, dass besonders die Mitglieder des intermedi{\"a}ren Lipidmetablismus hiervon betroffen waren. So konnten zwar auch f{\"u}r einige Aminos{\"a}uren robuste Rhythmen ausgemacht werden, besonders ausgepr{\"a}gt waren diese jedoch erneut bei den DAGs und den ACs. Die abschließende Untersuchung letzterer unter Freilaufbedingungen (DD) sowie in per01 brachte hervor, dass die ausgemachten Rhythmen unter diesen Bedingungen entweder nicht mehr detektiert werden konnten oder deutlich abgeschw{\"a}cht vorlagen. Lediglich zwei kurzkettige ACs zeigten auch unter DD-Bedingungen statistisch signifikante Rhythmen in ihren Spiegeln. Dies spricht daf{\"u}r, dass neben der Regulation durch die innere Uhr weitere Faktoren, wie beispielsweise das Licht, eine entscheidende Rolle zu spielen scheinen.},
  subject      = {Drosophila},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kucka2021,
  author    = {Kucka, Kirstin Michaela},
  title     = {Charakterisierung eines neuen Tumor Nekrose Faktor (TNF) Rezeptor 2 (TNFR2) Agonisten: Der heteromere, membranst{\"a}ndige Ligand Lymphotoxin α\(_2\)β},
  doi       = {10.25972/OPUS-24982},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-249824},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass nicht nur der Tumor Nekrose Faktor-α (=TNF-α) sondern auch Lymphotoxin-α (=LTα) in Form von Trimeren an TNFR1 und TNFR2 binden kann. Durch diese F{\"a}higkeit an beide Rezeptoren zu binden, haben diese zwei Liganden eine essentielle Rolle in der Entwicklung und dem Verlauf von Autoimmunerkrankungen. Bereits mit Beginn der 1990er Jahren wurde gezeigt, dass LTα nicht nur in Form von Homotrimeren vorliegt, sondern auch mit dem verwandten TNF-Superfamilie Liganden Lymphotoxin β (=LTβ) Heterotrimere bilden kann. Hierbei lagern sich LTα und LTβ in Form von LTα2β und LTαβ2 zusammen. Die initialen Experimente mit diesen Heterotrimeren zeigten bereits Unterschiede von LTα2β und LTαβ2. W{\"a}hrend LTα2β wie LTα an den TNFR1 bindet, kann LTαβ2 weder an TNFR1 noch TNFR2 binden und interagiert mit einem eigenen Rezeptor namens Lymphotoxin β Rezeptor (=LTβR). Da bereits zwei Liganden (TNF und LTα) f{\"u}r TNFR1 und TNFR2 bekannt waren, wurde LTα2β bis heute nicht weiter charakterisiert. LTαβ2 hingegen war lange Zeit der einzige bekannte Ligand f{\"u}r den LTβR, weshalb die LTαβ2-LTβR-Interaktion ausf{\"u}hrlich untersucht wurde. Diese Arbeit fokusiert sich auf die Charakterisierung von LTα2β. Hierf{\"u}r wurde die einzige bekannte Eigenschaft aus den 90er Jahren von LTα2β n{\"a}mlich die Bindung an TNFR1 aufgegriffen und um die Rezeptoren TNFR2 und LTβR erweitert. Diese Arbeit zeigt, dass LTα2β nicht nur an den TNFR1, sondern auch an TNFR2 und schwach an LTβR bindet. Trotz der asymmetrischen Bindestellen kann membrangebundenes LTα2β TNFR1 und TNFR2 nicht nur binden, sondern ist auch in der Lage diese zu aktivieren. Diese Arbeit gibt erste Einblicke in die Komplexizit{\"a}t dieses Heterotrimers indem gezeigt wird, dass LTα2β sowohl in seiner l{\"o}slichen als auch in seiner membrangebundenen Form den TNFR1 aktivieren kann, w{\"a}hrend der TNFR2 nur durch das membranst{\"a}ndige LTα2β aktiviert wird. Aufgrund der aktivierenden Eigenschaften von membranst{\"a}ndigem LTα2β und LTαβ2 auf die murine (=mu) Panc02-Zelllinie wird ein ersten Ausblick auf m{\"o}gliche weitergehende Experimente in mausbasierten Modellen gegeben. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass mit membranst{\"a}ndigem LTα2β ein neuer TNFR2 Agonist gefunden wurde.},
  subject      = {Ligand},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Lange2021,
  author    = {Lange, Manuel},
  title     = {Mutanten im RES-Oxylipin Signalweg von \(Arabidopsis\) \(thaliana\)},
  doi       = {10.25972/OPUS-16608},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-166085},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Reaktive elektrophile Spezies-Oxylipine (RES-Oxylipine) finden sich in Pflanzen- und Tierzellen und zeichnen sich durch eine f{\"u}r sie typische Anordnung von Atomen aus: einer α,β unges{\"a}ttigten Carbonyl Gruppe. In Pflanzenzellen geh{\"o}ren unter anderem 2-(E)-Hexenal und die Vorstufe der Jasmons{\"a}ure 12-Oxophytodiens{\"a}ure (OPDA) zu den RES-Oxylipinen, in Tierzellen z.B. Prostaglandin A1 (PGA). RES-Oxylipine {\"u}ben Signalfunktionen aus, wie dies in Pflanzenzellen funktioniert ist jedoch noch nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit ist dabei einen m{\"o}glichen RES-Oxylipin Signalweg aufzukl{\"a}ren und die beteiligten Gene zu identifizieren. Es konnte aber gezeigt werden, dass die Expressionsrate von bestimmten Genen wie z.B. GST6 durch RES-Oxylipine spezifisch induziert wird. Zur Untersuchung des RES-Oxylipin Signalweges wurde der GST6 Promotor vor das Luciferase-Gen fusioniert, um so ein RES-Oxylipin spezifisches Reportersystem zu erhalten. Die Ethylmethansulfonat mutagenisierten Linien wurden auf ge{\"a}nderte Luciferase-Aktivit{\"a}t hin untersucht. Dabei wurden drei Mutanten isoliert, die in dieser Arbeit n{\"a}her untersucht wurden. Eine zeigte basal erh{\"o}hte Luciferase-Aktivit{\"a}t (constitutive overexpresser 3 = coe3) und die anderen beiden erniedrigte Luciferase-Aktivit{\"a}t nach PGA Gabe (non responsive 1 und 2 = nr1 und nr2). In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Ph{\"a}notypen in allen 3 Mutanten rezessiv vererbt werden und die Mutanten nicht zueinander allel sind. Zudem war die ver{\"a}nderte Luciferase-Aktivit{\"a}t nicht durch ge{\"a}nderte Phytohormonspiegel oder durch Mutationen im GST6 Promotor erkl{\"a}rbar. Auf die Gabe von RES, wie Benzylisothiocyanat oder Sulforaphan, sowie auf endogene RES-Oxylipine, wie OPDA und Hexenal, reagierten die Mutanten auf {\"a}hnliche Weise, wie nach PGA Gabe. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen zeigten, dass sich die drei Mutanten stark voneinander unterschieden. Das Transkriptom kontrollbehandelter coe3 Pflanzen unterschied sich stark von dem der GST6::LUC Pflanzen. Die Mutante war trockenstressresistenter zudem war sie sensibler gegen{\"u}ber NaCl, was jedoch nicht von einer ver{\"a}nderten Reaktion auf Abscisins{\"a}ure herr{\"u}hrte. Des Weiteren war der Chlorophyllabbau bei dunkel inkubierten Bl{\"a}ttern geringer. Bei der Lokalisierung der Mutation, die noch nicht abgeschlossen ist, konnten Chromosom 2 und 5 als die wahrscheinlichsten Kandidaten ermittelt werden. Weitere Analysen sind n{\"o}tig um den Bereich weiter eingrenzen zu k{\"o}nnen. Die Mutante nr1, die sich durch verminderte Reaktion auf RES-Oxylipine auszeichnete, zeigte einen kleineren Wuchs und ein deutlich verz{\"o}gertes Bl{\"u}hen. Außerdem wies die Mutante erh{\"o}hte Argininspiegel in ihren Bl{\"a}ttern auf. Das Transkriptom unterschied sich sowohl bei kontrollbehandelten, als auch bei PGA behandelten nr1 Pflanzen massiv von denen der gleichbehandelten Kontrollen. Auch die nr1 schien trockenstressresistenter zu sein, sie war im Gegensatz zur coe3 aber robuster gegen{\"u}ber h{\"o}heren Konzentrationen an NaCl. Mit Hilfe eines „Next Generation Genome-Mappings" war es m{\"o}glich die Mutation am Ende von Chromosom 3 zu lokalisieren und auf f{\"u}nf m{\"o}gliche Gene einzugrenzen. Weitere Untersuchungen m{\"u}ssen nun kl{\"a}ren, welches dieser Gene urs{\"a}chlich f{\"u}r den Ph{\"a}notyp der ge{\"a}nderten Luciferase-Aktivit{\"a}t ist. Die zweite Mutante mit einer reduzierten Reaktion auf RES-Oxylipine war die nr2. {\"U}berraschender Weise unterschied sich das Transkriptom kontrollbehandelter nr2 Pflanzen deutlich st{\"a}rker von dem der gleichbehandelten GST6::LUC Pflanzen, als das nach PGA Gabe der Fall war. Sie reagierte nur mit sehr schwacher Luciferase-Aktivit{\"a}t auf Verwundung und war zudem deutlich sensibler gegen{\"u}ber Trockenheit. F{\"u}r eine zuk{\"u}nftige Lokalisation der urs{\"a}chlichen Mutation wurden entsprechende Kreuzungen durchgef{\"u}hrt aus deren Samen jederzeit mit einer Selektionierung begonnen werden kann. Mit dieser Arbeit konnte ein erster großer Schritt in Richtung Identifikation der, f{\"u}r die ge{\"a}nderte Luciferase-Aktivit{\"a}t, verantwortlichen Mutation gemacht werden, sowie erste Reaktionen der Mutanten auf abiotische Stressfaktoren untersucht werden. Somit ist man der Entdeckung von Signaltransduktionsfaktoren, die RES-Oxylipinabh{\"a}ngig reguliert werden, einen wichtigen Schritt n{\"a}her gekommen.},
  subject      = {Arabidopsis thaliana},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mueller2021,
  author    = {M{\"u}ller, Heike Milada},
  title     = {Anpassung an Trocken- und Salzstress: Untersuchungen an Modellpflanzen und Extremophilen},
  doi       = {10.25972/OPUS-17900},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-179005},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Die wahrscheinlich gr{\"o}ßten Probleme des 21. Jahrhunderts sind der Klimawandel und die Sicherstellung der Nahrungsmittelversorgung f{\"u}r eine steigende Zahl an Menschen. Durch die Zunahme von extremen Wetterbedingungen wie Trockenheit und Hitze wird der Anbau konventioneller, wenig toleranter Nutzpflanzen erschwert und die dadurch notwendige, steigende Bew{\"a}sserung der Fl{\"a}chen f{\"u}hrt dar{\"u}ber hinaus zu einer zus{\"a}tzlichen Versalzung der B{\"o}den mit f{\"u}r Pflanzen toxischen Natrium- und Chlorid-Ionen. Kenntnisse {\"u}ber Anpassungsstrategien salztoleranter Pflanzen an Salzstress, aber auch detailliertes Wissen {\"u}ber die Steuerung der Transpiration und damit des Wasserverlusts von Pflanzen sind daher wichtig, um auch k{\"u}nftig ertragreiche Landwirtschaft betreiben zu k{\"o}nnen. In dieser Arbeit habe ich verschiedene Aspekte der pflanzlichen Stressphysiologie bearbeitet, die im Folgenden getrennt voneinander zusammengefasst werden. I. Funktionelle Unterschiede der PYR/PYL-Rezeptoren von Schließzellen Entscheidend f{\"u}r den Wasserstatus von Pflanzen ist die Kontrolle des Wasserverlusts durch Spalt{\"o}ffnungen (Stomata), die von einem Paar Schließzellen gebildet werden. Externe Faktoren wie Licht, Luftfeuchtigkeit und CO2, sowie interne Faktoren wie das Phytohormon Abszisins{\"a}ure (ABA) regulieren {\"u}ber Signalkaskaden die Stomaweite und dadurch den Wasserverlust. Die zugrunde liegenden Signalkaskaden {\"u}berlappen teilweise. Vor allem der Stomaschluss durch erh{\"o}htes CO2 und ABA weisen viele Gemeinsamkeiten auf und die Identifizierung des Konvergenzpunktes beider Signale ist immer noch aktueller Gegenstand der Forschung. Von besonderem Interesse sind dabei die in Schließzellen exprimierten ABA-Rezeptoren der PYR/PYL-Familie. Denn obwohl bislang nicht nachgewiesen werden konnte, dass CO2 zu einem Anstieg des ABA-Gehalts von Schließzellen f{\"u}hrt deuten einige Studien darauf hin, dass die ABA-Rezeptoren selbst am CO2-Signalweg beteiligt sind. Durch Untersuchungen der Stomareaktion von Arabidopsis ABA-Rezeptormutanten konnte ich in dieser Arbeit zeigen, dass die in Schließzellen exprimierten ABA-Rezeptoren der PYR/PYL-Familie funktionale Unterschiede aufweisen. F{\"u}nffach-Verlustmutanten der ABA-Rezeptoren PYR1, PYL2, 4, 5 und 8 (12458) waren in ihrem ABA-induzierten Stomaschluss beeintr{\"a}chtigt und nur die Komplementation mit PYL2 und in geringerem Maße PYR1 konnte die ABA-Sensitivit{\"a}t wiederherstellen. Die Stomata von 12458-Verlustmutanten waren außerdem insensitiv gegen{\"u}ber erh{\"o}htem CO2, was auf eine Beteiligung der ABA-Rezeptoren am CO2-induzierten Stomaschluss hindeutet und diese Sensitivit{\"a}t konnte nur durch die Komplementation mit PYL4 oder PYL5, nicht aber mit PYL2 wiederhergestellt werden. Somit konnten in dieser Arbeit erstmals funktionelle Unterschiede der PYR/PYLs beim Stoma-Schluss nachgewiesen werden. Alle externen und internen Stomaschluss-Signale haben außerdem Einfluss auf die Genexpression der Schließzellen und f{\"u}hren zu individuellen expressionellen Adaptionen. In vorangegangenen Microarray Studien konnte gezeigt werden, dass jeder Stimulus auch die Expression eines distinkten Sets an ABA-Rezeptoren beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ich außerdem zeigen, dass die Expression der ABA-Rezeptoren bereits auf kleine {\"A}nderungen der ABA-Konzentration der Schließzellen reagiert und dass diese sich außerdem in ihrer Sensitivit{\"a}t gegen{\"u}ber ABA unterschieden. Geringe {\"A}nderungen der ABA-Konzentration von Schließzellen haben demnach Auswirkungen auf deren Rezeptor-zusammensetzung. Dar{\"u}ber hinaus konnte ich zeigen, dass die Rezeptoren die Expression unterschiedlicher nachgeschalteter Gene beeinflussen, was darauf hindeutet, dass Anpassungen des Rezeptorpools durch geringe {\"A}nderungen des ABA-Gehalts von Schließzellen schlussendlich auf genexpressioneller Ebene zur l{\"a}ngerfristigen Adaption an externe Bedingungen f{\"u}hren und die Rezeptoren auch hier funktional verschieden sind. II. Stomat{\"a}re Besonderheiten der toleranten Dattelpalme (Phoenix dactylifera) Dattelpalmen kommen nat{\"u}rlicherweise an besonders trockenen und heißen Standorten vor, an denen es aufgrund der harschen Bedingungen nur sehr wenigen Pflanzen m{\"o}glich ist {\"u}berhaupt zu wachsen. Ein naheliegender Grund f{\"u}r die herausragende Toleranz dieser Art gegen{\"u}ber wasserlimitierenden Bedingungen ist eine Anpassung der stomat{\"a}ren Regulation zu Gunsten des Wasserhaushalts. In dieser Arbeit konnte ich durch vergleichende Untersuchungen der lichtabh{\"a}ngigen Transpiration sowie dem ABA-induzierten Stomaschluss grundlegende Unterschiede in der Stomaphysiologie der Dattelpalmen und der eher sensitiven Modellpflanze Arabidopsis thaliana nachweisen. Blattgaswechselmessungen zeigten, dass Dattelpalmen in der Lage sind die Spalt{\"o}ffnungen bei niedrigen Lichtintensit{\"a}ten, bei denen Arabidopsis bereits deutlich ge{\"o}ffnete Stomata aufwies, geschlossen zu halten. Der bedeutendste Unterschied in der Stomaphysiologie von Dattelpalmen und Arabidopsis lag aber im ABA-induzierten Stomaschluss. W{\"a}hrend {\"u}ber die Petiole verabreichtes ABA bei Arabidopsis innerhalb von 15 Minuten zu einem vollst{\"a}ndigen Stomaschluss f{\"u}hrte, konnte ich in dieser Arbeit zeigen, dass der ABA-induzierte Stomaschluss der Datteln nitratabh{\"a}ngig ist. ABA allein f{\"u}hrte nur zu einem sehr langsamen Stomaschluss der innerhalb einer Stunde nicht vollst{\"a}ndig abgeschlossen war. Nur in Gegenwart von Nitrat f{\"u}hrte die ABA-Gabe in den Transpirationsstrom der Fiederbl{\"a}tter der Datteln zu einem schnellen und vollst{\"a}ndigen Stomaschluss. In Arabidopsis wird der in Schließzellen vorkommende Anionenkanal AtSLAC1 durch eine {\"u}ber den ABA-Signalweg vermittelte Phosphorylierung aktiviert, was schlussendlich zur Aktivierung spannungsabh{\"a}ngiger Kationenkan{\"a}le und zum Ausstrom von Kalium aus den Schließzellen f{\"u}hrt. Es konnte gezeigt werden, dass die Nitratabh{\"a}ngigkeit der ABA-Antwort der Schließzellen von Dattelpalmen auf Eigenschaften von PdSLAC1 zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist und dieser Kanal nur in Anwesenheit von extrazellul{\"a}rem Nitrat aktivierbar ist. Mittlerweile konnte, unter anderem basierend auf diesen Ergebnissen, eine Tandem-Aminos{\"a}uresequenz identifiziert werden, die die SLAC-Homologe monokotyler Pflanzen wie der Dattelpalme von der dikotyler Pflanzen unterscheidet und zumindest teilweise f{\"u}r die nitratabh{\"a}ngige Aktivierung des Stomaschlusses vieler monokotyler verantwortlich ist. III. Die Salztoleranz von Phoenix dactylifera und Chenopodium quinoa Sowohl Dattelpalmen als auch C. quinoa weisen, verglichen mit den meisten anderen Pflanzen, eine hohe Toleranz gegen{\"u}ber NaCl-haltigen B{\"o}den auf. In dieser Arbeit habe ich die Salztoleranz beider Arten untersucht, um so Strategien zu identifizieren, die diesen Pflanzen diese gesteigerte Toleranz erm{\"o}glichen. Dattelpalmen k{\"o}nnen nat{\"u}rlicherweise auf salzigen B{\"o}den wachsen. Makroskopisch weisen diese Pflanzen aber keine Anpassungen wie bspw. Salzdr{\"u}sen auf und bislang ist unklar wie Dattelpalmen mit dem NaCl aus dem Boden umgehen. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass der Natriumgehalt der Fiederbl{\"a}tter der Datteln durch eine sechsw{\"o}chige Bew{\"a}sserung mit 600mM NaCl, was ungef{\"a}hr der Konzentration von Meerwasser entspricht, nicht zunimmt. Demnach sind Datteln so genannte „Exkluder", also Pflanzen, die eine {\"u}berm{\"a}ßige Natriumaufnahme in photosynthetisch aktives Gewebe vermeiden. Der Natriumgehalt der Wurzeln dagegen nahm unter Salzstress aber zu. Diese Zunahme war allerdings in unterschiedlichen Bereichen der Wurzeln verschieden stark. Flammenphotometrische Messungen ergaben einen vom Wurzelansatz ausgehenden graduellen Anstieg des Natriumgehalts, der an der Wurzelspitze am h{\"o}chsten war. Dar{\"u}ber hinaus konnte eine Induktion von PdSOS1, einem putativen Na+/H+-Antiporter in diesen unteren, natriumhaltigen Bereichen nachgewiesen werden. Eine hohe SOS1-Aktivit{\"a}t gilt bereits in anderen toleranten Arten als Schl{\"u}sselmerkmal f{\"u}r deren Toleranz und die gesteigerte Expression von PdSOS1 deutet auf eine erh{\"o}hte Natrium-Exportrate aus der Wurzel zur{\"u}ck in den Boden in diesen unteren Bereichen hin, was schlussendlich den Ausschluss von Natrium vermitteln k{\"o}nnte. In sensitiven Arten f{\"u}hrt Salzstress h{\"a}ufig zu einer Abnahme der Kaliumkonzentration des Gewebes. Interessanterweise war dies weder f{\"u}r das Blatt- noch das Wurzelgewebe der Dattelpalmen der Fall. Der Kaliumgehalt beider Gewebe blieb trotz der Bew{\"a}sserung der Pflanzen mit Salzwasser konstant. Auf expressioneller Ebene konnte ich dar{\"u}ber hinaus zeigen, dass PdHAK5, ein putativer hochaffiner Kaliumtransporter, der unter Kontrollbedingungen {\"u}berwiegend in den oberen Wurzelabschnitten exprimiert wurde, durch den Salzstress dort reprimiert wurde. PdKT, ebenfalls ein putatives Kalium-Transportprotein dagegen, wurde nicht durch die Salzbehandlung beeinflusst, was zusammengenommen darauf hindeutet, dass das Aufrechterhalten des Kaliumgehalts bei Salzstress durch die differentielle Regulation verschiedener Kaliumaufnahmesysteme gew{\"a}hrleistet wird. Der effiziente Ausschluss von Natrium zusammen mit dem hohen K+/Na+-Verh{\"a}ltnis k{\"o}nnten demnach Schl{\"u}sselmerkmale f{\"u}r die hohe Salztoleranz von Phoenix dactylifera darstellen. Quinoa ist, {\"a}hnlich wie die Dattelpalme, eine salztolerante Nutzpflanze. Im Gegensatz zu Dattelpalmen weist Quinoa allerdings besondere Strukturen auf der Epidermis auf, die so genannten epidermalen Blasenhaare (englisch: epidermal bladder cells, EBCs). Die Funktion dieser ballonartig vergr{\"o}ßerten Zellen als externe Salzspeicher wird seit l{\"a}ngerem diskutiert. Flammenphotometrische Messungen des Natriumgehalts von Quinoa unter Salzstressbedingungen ergaben, dass Quinoa anders als Dattelpalmen, Natrium in die oberirdischen, photosynthetisch aktiven Organe aufnimmt. Auch die Zunahme des Natriumgehalts der EBCs konnte ich nachweisen. Junge Bl{\"a}tter haben eine hohe Dichte an intakten EBCs, was deren Funktion als externe Salzspeicher besonders zum Schutz dieser jungen Bl{\"a}tter nahelegt. mRNA-Sequenzierungen ergaben dar{\"u}ber hinaus, dass die EBCs bereits unter Kontrollbedingungen viele in grundlegende Stoffwechselprozesse involvierte Gene sowie membranst{\"a}ndige Transportproteine differentiell exprimieren. Diese Unterschiede im Transkriptom der EBCs zum Blattgewebe zeigen, dass katabole Stoffwechselwege nur eine untergeordnete Rolle in den hochspezialisierten EBCs spielen und deren Stoffwechsel auf dem Import energiereicher Zucker und Aminos{\"a}uren basiert. Mittels qPCR-Messungen und RNA-Sequenzierungen konnte ich die gewebespezifische Expression verschiedener Transportproteine nachweisen, die eine gerichtete Aufnahme von Natrium in EBCs erm{\"o}glichen k{\"o}nnten. Besonders die differentielle Expression eines Natriumkanals der HKT1-Familie deutet auf dessen Beteiligung an der Natriumbeladung der EBCs hin. CqHKT1.2 wurde ausschließlich in EBCs exprimiert und die elektrophysiologische Charakterisierung dieses Transportproteins ergab eine spannungsabh{\"a}ngige Natriumleitf{\"a}higkeit. Dieser Natriumkanal kann demnach die Natriumaufnahme bei Membranspannungen nahe dem Ruhepotential in die EBCs vermitteln und die Deaktivierung des CqHKT1.2 bei depolarisierenden Membranspannungen kann dar{\"u}ber hinaus einen Efflux von Na+ aus den EBCs verhindern. Auch das Expressionsmuster eines putativen Na+/H+-Antiporters (CqSOS1) der nur sehr gering in EBCs aber deutlich h{\"o}her in Blattgewebe exprimiert wurde, deutet auf eine indirekte Beteiligung dieses SOS1 an der Beladung der EBCs hin. Bereits charakterisierte SOS1-Proteine anderer Pflanzen zeigten unter physiologischen Bedingungen eine Natriumexport-Aktivit{\"a}t. CqSOS1 k{\"o}nnte demnach den Export von Natrium aus Mesophyll- und Epidermiszellen der Bl{\"a}tter in den Apoplasten vermitteln, welches dann {\"u}ber CqHKT1.2 in die EBCs aufgenommen wird. Trotz der Natriumaufnahme in die oberirdischen Teile und die EBCs f{\"u}hrte die Salzbehandlung {\"a}hnlich wie bei den Datteln nicht zu einer Abnahme des bemerkenswert hohen Kaliumgehalts. Mittels qPCR-Untersuchungen konnte ich die Expression verschiedener HAK-Orthologe nachweisen, deren Aktivit{\"a}t die Aufrechterhaltung des Kaliumgehalts unter Salzstress vermitteln k{\"o}nnten. Fr{\"u}here Studien konnten zeigen, dass Salzstress bei Quinoa wie bei vielen salztoleranten Arten zu einem Anstieg der Konzentration von kompatiblen gel{\"o}sten Substanzen und besonders von Prolin f{\"u}hrt. In dieser Arbeit konnte ich die hohe Expression eines Prolintransporters in EBCs nachweisen, was eher auf einen importbasierten Anstieg der Prolinkonzentration als auf die Synthese innerhalb der EBCs schließen l{\"a}sst. Zusammengefasst ergaben der Anstieg des Natriumgehalts der EBCs in Verbindung mit den Ergebnissen der RNA-Sequenzierung und den erg{\"a}nzenden qPCR Messungen, dass die EBCs von Quinoa bereits unter Kontrollbedingen f{\"u}r die Aufnahme von {\"u}bersch{\"u}ssigen Ionen unter Salzstress spezialisierte Zellen sind, deren Spezialisierung auf dem Import von energiereichreichen Zucken und anderen Substanzen basiert.},
  subject      = {Botanik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Voss2021,
  author    = {Voß, Lena Johanna},
  title     = {{\"A}nderungen der Membranspannung und der Osmolarit{\"a}t als Ausl{\"o}ser f{\"u}r Calciumsignale in Pflanzen - Studien an Schließzellen von Nicotiana tabacum und Polypodium vulgare},
  doi       = {10.25972/OPUS-21963},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-219639},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Stomata sind kleine Poren in der Blattoberfl{\"a}che, die Pflanzen eine Anpassung ihres Wasserhaushalts an sich {\"a}ndernde Umweltbedingungen erm{\"o}glichen. Die {\"O}ffnungsweite der Stomata wird durch den Turgordruck der Schließzellen bestimmt, der wiederum durch Ionenfl{\"u}sse {\"u}ber die Membranen der Zelle reguliert wird. Ein Netzwerk von Signaltransduktionswegen sorgt daf{\"u}r, dass Pflanzen die Stomabewegungen an die Umgebungsbedingungen anpassen k{\"o}nnen. Viele molekulare Komponenten dieser Signaltransduktionketten in Schließzellen von Angiospermen sind inzwischen bekannt und Calcium spielt darin als Signalmolek{\"u}l eine wichtige Rolle. Weitgehend unbekannt sind dagegen die Mechanismen, die zur Erzeugung von transienten Erh{\"o}hungen der Calciumkonzentration f{\"u}hren. Auch die molekularen Grundlagen der Regulierung der Stomaweite in Nicht-Angiospermen-Arten sind bisher nur wenig verstanden. Um zur Aufkl{\"a}rung dieser Fragestellungen beizutragen, wurden in dieser Arbeit Mechanismen zur Erh{\"o}hungen der cytosolischen Calciumkonzentration sowie elektrophysiologische Eigenschaften von Schließzellen untersucht. Der Fokus lag hierbei insbesondere auf der Visualisierung cytosolischer Calciumsignale in Schließzellen. Im ersten Teil der Arbeit wurde durch die Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse mittels TEVC (Two Electrode Voltage Clamp) gezielt eine Erh{\"o}hung der cytosolischen Calciumkonzentration in einzelnen Schließzellen von Nicotiana tabacum ausgel{\"o}st. Um die Dynamik der cytosolischen Calciumkonzentration dabei zeitlich und r{\"a}umlich hoch aufgel{\"o}st zu visualisieren, wurde simultan zu den elektrophysiologischen Messungen ein Spinning-Disc-System f{\"u}r konfokale Aufnahmen eingesetzt. W{\"a}hrend der Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse wurde eine transiente Vergr{\"o}ßerung des cytosolischen Volumens beobachtet. Diese l{\"a}sst sich durch einen osmotisch getriebenen Wasserfluss erkl{\"a}ren, der durch die Ver{\"a}nderung der Ionenkonzentration im Cytosol verursacht wird. Diese wiederum wird durch die spannungsabh{\"a}ngige Aktivierung einw{\"a}rtsgleichrichtender Kaliumkan{\"a}le in der Plasmamembran der Schließzellen und durch den Kompensationsstrom der eingestochenen Mikroelektrode hervorgerufen. Mit Hilfe des calciumsensitiven Farbstoffs Fura-2 konnte gezeigt werden, dass die Erh{\"o}hung der freien cytosolischen Calciumkonzentration w{\"a}hrend der Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse durch zwei Mechanismen verursacht wird. Der erste Mechanismus ist die Aktivierung hyperpolarisationsaktivierter, calciumpermeabler Kan{\"a}le (HACCs) in der Plasmamembran, die schon 1998 von Grabov \& Blatt beschrieben wurde. Zus{\"a}tzlich zu diesem Mechanismus der Calciumfreisetzung, konnte ein zweiter bislang unbekannter Mechanismus aufgedeckt werden, bei dem Calcium aus intrazellul{\"a}ren Speichern in das Cytosol freigesetzt wird. Dieser Mechanismus h{\"a}ngt mit der oben beschriebenen Vergr{\"o}ßerung des cytosolischen Volumens zusammen und ist wahrscheinlich durch die {\"A}nderungen der mechanischen Spannung der Membran bzw. der Osmolarit{\"a}t innerhalb der Zelle bedingt. Diese k{\"o}nnten zu einer Aktivierung mechanosensitiver, calciumpermeabler Kan{\"a}le f{\"u}hren. Der zweite Teil der Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit den molekularen Grundlagen der Regulierung von Stomata in Nicht-Angiospermen. In Schließzellen von Polypodium vulgare konnten durch die Anwendung der TEVC-Technik {\"a}hnliche spannungsabh{\"a}ngige Str{\"o}me {\"u}ber die Plasmamembran gemessen werden wie in Angiospermen. Ebenso wurden durch die Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse an Schließzellen von Polypodium und Asplenium Erh{\"o}hungen der cytosolischen Calciumkonzentration ausgel{\"o}st, die auf die Existenz spannungsabh{\"a}ngiger, calciumpermeabler Kan{\"a}le in der Plasmamembran hinweisen. Die Diffusion von Fluoreszenzfarbstoffen in die Nachbarschließzellen nach der iontophoretischen Beladung in Polypodium, Asplenium, Ceratopteris und Selaginella zeigte, dass in diesen Arten eine symplastische Verbindung zwischen benachbarten Schließzellen besteht, die an Schließzellen von Angiospermen bisher nicht beobachtet werden konnte. Anhand elektronenmikroskopischer Aufnahmen von Polypodium glycyrrhiza Schließzellen konnte gezeigt werden, dass diese Verbindung wahrscheinlich durch Plasmodesmata zwischen benachbarten Schließzellen gebildet wird. Durch die Analyse der Calciumdynamik in benachbarten Schließzellen nach hyperpolarisierenden Spannungspulsen stellte sich heraus, dass die Calciumhom{\"o}ostase trotz symplastischer Verbindung in beiden Schließzellen unabh{\"a}ngig voneinander reguliert zu werden scheint. Im Rahmen der Untersuchungen an Farnschließzellen wurde desweiteren eine Methode zur Applikation von ABA etabliert, die es erlaubt mithilfe von Mikroelektroden das Phytohormon iontophoretisch in den Apoplasten zu laden. Im Gegensatz zu den Schließzellen von Nicotiana tabacum, die auf eine so durchgef{\"u}hrte ABA-Applikation mit dem Stomaschluss reagierten, wurde in Polypodium vulgare auf diese Weise kein Stomaschluss ausgel{\"o}st. Da die ABA-Antwort der Farnstomata aber auch von anderen Faktoren wie Wachstumsbedingungen abh{\"a}ngig ist (H{\~o}rak et al., 2017), kann eine ABA-Responsivit{\"a}t in dieser Farnart trotzdem nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Die Freisetzung von Calcium aus intrazellul{\"a}ren Speichern, wie sie in dieser Arbeit gezeigt wurde, k{\"o}nnte eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Stomaweite spielen. Zur Aufkl{\"a}rung dieser Fragestellung w{\"a}re die Identifizierung der Kan{\"a}le, die an der osmotisch/mechanisch induzierten Calciumfreisetzung aus internen Speichern beteiligt sind, von großem Interesse. Weiterf{\"u}hrende Studien an Schließzellen von Farnen k{\"o}nnten die physiologische Bedeutung der aus Angiospermen bekannten Ionenkan{\"a}le f{\"u}r die Stomabewegungen in evolution{\"a}r {\"a}lteren Landpflanzen aufkl{\"a}ren und so maßgeblich zum Verst{\"a}ndnis der Evolution der Regulierunsgmechanismen von Stomata beitragen. Außerdem stellt sich die Frage, welche Rolle die hier gezeigte symplastische Verbindung der Nachbarschließzellen durch Plasmodesmata f{\"u}r die Funktion der Stomata spielt.},
  subject      = {Schließzelle},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Reyer2020,
  author    = {Reyer, Antonella},
  title     = {Charakterisierung des Channelrhodopsin-2 aus Chlamydomonas reinhardtii als nicht-invasives, optogenetisches Werkzeug zur funktionellen Analyse elektrischer Signale in Pflanzen},
  doi       = {10.25972/OPUS-21867},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-218671},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Ebenso wie Tiere verf{\"u}gen Pflanzen {\"u}ber die F{\"a}higkeit elektrische Signale zu generieren. Dabei repr{\"a}sentieren elektrische Signale - Membranpotential{\"a}nderungen an der Plasmamembran - die fr{\"u}hesten Antworten, welche an Pflanzenzellen im Zuge ver{\"a}nderter externer und intrinsischer Bedingungen beobachtet werden k{\"o}nnen. Stimuli wie K{\"a}lte, Hitze, Verwundung, Herbivorie und Pathogene, aber auch physiologische Prozesse, wie Wachstum und Best{\"a}ubung f{\"u}hren zur {\"A}nderung des Potentials der Plasmamembran pflanzlicher Zellen. Die meisten dieser Membranpotential{\"a}nderungen bestehen aus einer schnellen Depolarisation, gefolgt von einer Repolarisation des Membranpotentials, deren Kinetik, in Abh{\"a}ngigkeit des Stimulus hoch variabel sein kann. Das Wissen {\"u}ber die molekularen Grundlagen der Generierung und Weiterleitung elektrischer Signale in Pflanzen ist im Gegensatz zu Tieren nur wenig verstanden. Eine Ausnahme stellen ‚klassisch-erregbare' Pflanzen wie die Venusfliegenfalle oder die Mimose dar. In diesen Pflanzen f{\"u}hrt ein Ber{\"u}hrungsreiz zur Ausl{\"o}sung eines charakteristischen Aktionspotentials, welches in der Folge zu einer, auf differentiellen Turgor{\"a}nderungen basierenden, nastischen Bewegung f{\"u}hrt. In allen anderen Pflanzen ist die Kinetik der Membranpotential{\"a}nderungen sehr variabel, abh{\"a}ngig vom Stimulus und dem physiologischen Zustand der Zellen und - mit Ausnahme der Reaktion auf einen K{\"a}ltestimulus - lediglich nach langen Latenzzeiten wiederholbar. Dieser Umstand verhindert eine systematische Analyse der molekularen Basis elektrischer Signale in den meisten Pflanzen. Ziel dieser Arbeit war es daher, auf der Basis des Channelrhodopsin-2 (ChR2) aus der Gr{\"u}nalge Chlamydomonas reinhardtii, welches bereits seit 2005 in der Neurobiologie genutzt wird, ein nicht-invasives Werkzeug zur funktionellen Analyse elektrischer Signale in Pflanzen zu etablieren. ChR2 ist ein Blaulicht-aktivierter Kationenkanal, der f{\"u}r seine Funktion all trans-Retinal als Cofaktor ben{\"o}tigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Varianten des ChR2, mit einem Schwerpunkt auf ChR2-C128T und vor allem ChR2-D156C, auch bekannt als ChR2-XXL eingesetzt. ChR2 konnte bereits durch M. Baumann im Rahmen ihrer Dissertation funktionell im transienten Expressionssystem Nicotiana benthamiana dargestellt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das System weiter ausgebaut und die besonders aussichtsreichen ChR2-Varianten nicht nur in N. benthamiana, sondern auch in stabilen Arabidopsis thaliana Linien funktionell charakterisiert. Dabei konnte mit dem ChR2-XXL ein geeignetes optogenetisches Werkzeug zur Untersuchung elektrischer Signale in Pflanzen identifiziert werden. ChR2-XXL bietet die M{\"o}glichkeit das Membranpotential durch kurze, 5 s Blaulichtpulse im Mittel um 95 mV zu depolarisieren und im Anschluss die Repolarisationsphase zu untersuchen. Blaulicht-induzierbare, ChR2-XXL-vermittelte Depolarisationen konnten, reproduzierbar und beliebig oft an den gleichen Zellen wiederholt ausgel{\"o}st werden. Dadurch erm{\"o}glicht ChR2-XXL die bisher nur unzureichend bekannten molekularen Komponenten der Repolarisation des Membranpotentials in Pflanzen zu erforschen. In tierischen Zellen generieren spannungsabh{\"a}ngige Natriumkan{\"a}le die Depolarisation, w{\"a}hrend spannungsabh{\"a}ngige Kaliumkan{\"a}le die Depolarisationskinetik bestimmen. Die im Vergleich zu tierischen Zellen ver{\"a}nderten Ionengradienten lassen vermuten, dass die pflanzliche Depolarisation im Wesentlichen durch Ca2+-abh{\"a}ngige Anionenkan{\"a}le vermittelt wird, die durch den Efflux von Cl- das Membranpotential depolarisieren. F{\"u}r die Repolarisation wird zum einen die Beteiligung von ausw{\"a}rtsgleichrichtenden Kaliumkan{\"a}len postuliert. Zum anderen wird auch eine Beteiligung der Plasmamembran (PM) H+-ATPasen vermutet, welche gleichzeitig einen essentiellen Beitrag zur Generierung des Ruhepotentials leisten. In der vorliegenden Arbeit wurde es durch den Einsatz von ChR2-XXL m{\"o}glich, beide potentiellen Komponenten der Repolarisationsphase, Kaliumkan{\"a}le und PM H+-ATPasen, erstmals durch eine nicht-invasive, Anionen-unabh{\"a}ngige Methode der Depolarisation zu untersuchen. Durch den Einsatz von Mutanten und Kaliumkanalinhibitoren konnte ein m{\"o}glicher Beitrag des ausw{\"a}rtsgleichrichtenden Kaliumkanals Arabidopsis thaliana GUARD CELL OUTWARD RECTIFYING K+ CHANNEL (AtGORK) an der Repolarisationsphase in Arabidopsis Mesophyllzellen nahezu ausgeschlossen werden. Der ausw{\"a}rtsgleichrichtende Kaliumkanal GORK {\"o}ffnet erst bei Membranpotentialen positiv vom Gleichgewichtspotential f{\"u}r Kaliumionen (EK (-118 mV)). Da die ChR2-induzierbaren Depolarisationen ebenso wie viele nat{\"u}rliche Stimuli, diesen Wert kaum erreichen oder nur geringf{\"u}gig {\"u}berschreiten, leistet der GORK einen geringf{\"u}gigen Beitrag bei der Repolarisation. Dies ließ vermuten, dass die Repolarisation von EK bis zum Ruhepotential bei ca. -180 mV dagegen m{\"o}glicherweise durch die PM H+-ATPasen bewerkstelligt wird. Die Wirkung des PM H+-ATPase Inhibitors Natriumorthovanadat, sowie des PM H+-ATPase Aktivators Fusicoccin auf die Repolarisationsphase konnten diese Hypothese unterst{\"u}tzen. Die Hemmung der PM H+-ATPasen verlangsamte die Repolarisationskinetik w{\"a}hrend eine Aktivierung der PM H+-ATPasen diese beschleunigte. So wurde es erstmals m{\"o}glich den genauen Einfluss der PM H+-ATPasen auf Wiederherstellung des Membranpotentials w{\"a}hrend der Repolarisation in Mesophyllzellen zu studieren. Dar{\"u}ber hinaus wurde beobachtet, dass in Gegenwart des Kaliumkanalblockers Ba2+ die Repolarisation ebenfalls beschleunigt werden konnte. In {\"U}bereinstimmung mit dem ‚Pump-and-Leak'-Modell (Alberts et al. 2002) deutet dies darauf hin, dass schwach einw{\"a}rtsgleichrichtende Kaliumkan{\"a}le, wie der ARABIDOPSIS K+ TRANSPORTER 2 (AKT2) dem PM H+-ATPasen Protonengradienten entgegenwirken und somit das Ruhepotential aus der Summe der bewegten Ladungen von Pumpen und Kaliumkan{\"a}len bestimmt wird. Das m{\"o}gliche Potenzial optogenetischer, Rhodopsin-basierter Werkzeuge f{\"u}r die molekulare Analyse elektrischer Signale, insbesondere unter Einsatz der breiten Palette lichtgesteuerter Pumpen und Kan{\"a}le, ihrer spektralen Diversit{\"a}t und ihrer Einkreuzung in ausgew{\"a}hlte Arabidopsis Mutanten wird diskutiert.},
  subject      = {pflanzliche Elektrophysiologie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Lehmann2020,
  author    = {Lehmann, Julian},
  title     = {Hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie beleuchtet den Oligomerisierungsstatus pflanzlicher Membranproteine},
  doi       = {10.25972/OPUS-21176},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-211762},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}le, die zur Familie der langsamen Anionenkan{\"a}le geh{\"o}ren, repr{\"a}sentieren Schl{\"u}sselproteine in der pflanzlichen Stressantwort. Neben ihrer Aufgabe in Stresssituationen, ist eine Untergruppe der Kan{\"a}le f{\"u}r die Beladung der Leitgef{\"a}ße mit Nitrat und Chlorid in der Stele der Pflanzenwurzeln verantwortlich. Biophysikalische und pflanzenphysiologische Studien stellten heraus, dass vor Allem der Anionenkanal SLAH3 f{\"u}r die Beladung der Xylem Leitgef{\"a}ße mit Nitrat und Chlorid verantwortlich ist. Ihm zur Seite gestellt werden noch die elektrisch inaktiven Homologe SLAH1 und SLAH4 in der Wurzel exprimiert. Sie steuern die Aktivit{\"a}t von SLAH3 durch die Assemblierung zu SLAH1/SLAH3 oder SLAH3/SLAH4 Heteromeren. Neben der Kontrolle durch Heteromerisierungsereignisse, werden SLAH3 Homomere sehr spezifisch und schnell durch zytosolische Ans{\"a}uerung aktiviert. Obwohl bereits die Kristallstruktur des bakteriellen Homologs HiTehA zu pflanzlichen SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}len bekannt ist, welche HiTehA als Trimer charakterisiert, sind die St{\"o}chiometrie und der Polymerisierungsgrad der pflanzlichen SLAC/SLAHs bisher noch unbekannt. Die Fluoreszenzmikroskopie umfasst viele etablierte Anwendungsmethoden, wie die konfokale Laserrastermikroskopie (CLSM), Techniken mit verbesserter Aufl{\"o}sung, wie die Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung (SIM) und hochaufl{\"o}sende Methoden, welche durch die Lokalisationsmikroskopie (z.B. dSTORM und PALM) oder die Expansionsmikroskopie (ExM) vertreten werden. Diese unterschiedlichen Mikroskopie-methoden erm{\"o}glichen neue Einblicke in die Organisation von Proteinen in biologischen Systemen, die bis auf die molekulare Ebene hinunterreichen. Insbesondere im Bereich der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenzmikroskopie sind im Gegensatz zu tierischen Frage-stellungen bisher jedoch nur wenige Untersuchungen in pflanzlichen Geweben durchgef{\"u}hrt worden. Die Lokalisationsmikroskopie erm{\"o}glicht die Quantifizierung einzelner Molek{\"u}le in nativen Systemen und l{\"a}sst {\"u}berdies R{\"u}ckschl{\"u}sse auf den Polymerisierungsgrad von Proteinen zu. Da Poly- und Heteromerisierung von Proteinen oftmals mit der Funktionalit{\"a}t eines entsprechenden Proteins einhergeht, wie es bei den SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}len der Fall ist, wurden in dieser Arbeit PALM Messungen zur Untersuchung des Polymerisierungsgrades und Interaktionsmuster der Anionenkan{\"a}le angewendet. Ferner wurden Expressionsmuster der SLAC/SLAHs untersucht und zudem Mikroskopieanwendungen im Pflanzengewebe etabliert und verbessert. In Bezug auf die Mikroskopieanwendungen konnten wir in Arabidopsis thaliana (At) Wurzeln die polare Verteilung von PIN Proteinen mittels SIM best{\"a}tigen und die gruppierte Verteilung in der Plasmamembran am Zellpol aufl{\"o}sen. In Wurzel-querschnitten war es m{\"o}glich, Zellw{\"a}nde zu vermessen, den Aufbau der Pflanzenwurzel mit den verschiedenen Zelltypen zu rekonstruieren und diesen in Zusammenhang mit Zellwanddicken zu bringen. Anhand dieser Aufnahmen ließ sich die Aufl{\"o}sungsgrenze eines SIM-Mikroskops bestimmen, weshalb diese Probe als Modellstruktur f{\"u}r Aufl{\"o}sungsanalysen, zur Kontrolle f{\"u}r die korrekte Bildverarbeitung bei hochaufl{\"o}sender Bildgebung und andere Fragestellungen empfohlen werden kann. F{\"u}r die Expansionsmikroskopie in pflanzlichen Proben konnten ein enzym- und ein denaturierungsbasiertes Pr{\"a}parationsprotokoll etabliert werden. Dabei wurden ganze At Setzlinge, Wurzelabschnitte und Blattst{\"u}cke gef{\"a}rbt, expandiert und mit zwei bis drei Mal verbesserter Aufl{\"o}sung bildlich dargestellt. In diesem Zusammenhang waren Aufnahmen ganzer Wurzel- und Blattproben mit beeindruckender Eindringtiefe und extrem geringem Hintergrundsignal m{\"o}glich. Zudem wurden die Daten kritisch betrachtet, Probleme aufgezeigt, gewebespezifische Ver{\"a}nderungen dargestellt und limitierende Faktoren f{\"u}r die ExM in Pflanzenproben thematisiert. Im Fokus dieser Arbeit stand die Untersuchung der SLAC/SLAH Proteine. SLAH2 wird in den Wurzeln vornehmlich in Endodermis- und Perizykelzellen exprimiert, was anhand verschiedener At SLAH2 YFP Mutanten untersucht werden konnte. Dies unterst{\"u}tzt die Annahme, dass SLAH2 bei der Beladung der Leitgef{\"a}ße mit Nitrat maßgeblich beteiligt ist. Es ist denkbar, dass SLAH2 ebenfalls eine wachstumsbeeinflussende Funktion {\"u}ber die Regulation von Nitratkonzentrationen zugeschrieben werden kann. Darauf deuten vor allem die verst{\"a}rkte Expression von SLAH2 im Bereich der Seitenwurzeln und die heterogene Expression in der Elongations-, Differenzierungs- und meristematischen Zone hin. Die Membranst{\"a}ndigkeit von SLAH4 konnte nachgewiesen werden und FRET FLIM Untersuchungen zeigten eine hohe Affinit{\"a}t von SLAH4 zu SLAH3, was die beiden Homologe als Interaktionspartner identifiziert. F{\"u}r die Bestimmung des Oligomerisierungsgrades mittels PALM wurden die pflanzlichen Anionenkan{\"a}le in tierischen COS7-Zellen exprimiert. Die elektrophysiologische Funktionalit{\"a}t der mEOS2-SLAC/SLAH-Konstrukte wurde mit Hilfe von Patch-Clamp-Versuchen in COS7-Zellen {\"u}berpr{\"u}ft. Um Expressionslevel, Membranst{\"a}ndigkeit und die Verteilung {\"u}ber die Membran der SLAC/SLAHs zu verifizieren, wurden dSTORM-Aufnahmen herangezogen Schließlich erm{\"o}glichten PALM-Aufnahmen die Bestimmung des Polymerisierungs-grades der SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}le, die st{\"o}chiometrischen Ver{\"a}nderungen bei Heteromerisierung von SLAH3 mit SLAH1 oder SLAH4 und auch der Einfluss einer zytosolischer Ans{\"a}uerung auf den Polymerisierungsgrad von SLAH3 Homomeren. Zudem weisen die Oligomerisierungsanalysen von SLAH3 Mutanten darauf hin, dass die Aminos{\"a}uren Histidin His330 und His454 entscheidend an der pH sensitiven Regulierung von SLAH3 beteiligt sind. Durch die erhobenen Daten konnten also entscheidende, neue Erkenntnisse {\"u}ber die Regulationsmechanismen von pflanzlichen Anionenkan{\"a}len auf molekularer Ebene gewonnen werden: Unter Standardbedingungen liegen SLAC1, SLAH2 und SLAH3 haupts{\"a}chlich als Dimer vor. Auf eine zytosolische Ans{\"a}uerung reagiert ausschließlich SLAH3 mit einer signifikanten st{\"o}chiometrischen Ver{\"a}nderung und liegt im aktiven Zustand vor Allem als Monomer vor. Der Oligomerisierungsgrad von SLAC1 und SLAH2 bleibt hingegen bei einer zytosolischen Ans{\"a}uerung unver{\"a}ndert. Ferner kommt es bei der Interaktion von SLAH3 mit SLAH1 oder SLAH4 zur Formierung eines Heterodimers, welches unbeeinflusst durch den zytosolischen pH bleibt. Im Gegensatz dazu bleiben die elektrisch inaktiven Untereinheiten SLAH1 und SLAH4 monomerisch und assemblieren ganz spezifisch nur mit SLAH3. Die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenz-mikroskopie, insbesondere PALM erlaubt es also Heteromerisierungsereignisse und {\"A}nderungen im Poylmerisierungsgrad von Membranproteinen wie den SLAC/SLAHs auf molekularer Ebene zu untersuchen und l{\"a}sst so R{\"u}ckschl{\"u}sse auf physiologische Ereignisse zu.},
  subject      = {Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schaefer2020,
  author    = {Sch{\"a}fer, Nadine},
  title     = {Eine vergleichende biophysikalische Analyse von Hitze- und Trockentoleranzstrategien der W{\"u}stenpflanze Phoenix dactylifera und Nutzpflanzen der gemäßigten Klimazonen},
  doi       = {10.25972/OPUS-18649},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-186491},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Der Klimawandel geht einher mit einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur und einem dadurch induzierten Wassermangel. Diese beiden abiotischen Stressfaktoren f{\"u}hren zu einer Reduzierung der landwirtschaftlichen Erträge und Biomassen von Kulturpflanzen. Daher ist eine Anpassung der betroffenen Pflanzenarten an das sich ändernde Klima erforderlich, um die landwirtschaftliche Produktivität in Zukunft aufrechtzuerhalten. Gegenwärtig ist unser Wissen {\"u}ber Strategien zur Toleranz gegen{\"u}ber abiotischem Stress sowie {\"u}ber Genom- und Transkriptionsinformationen auf wenige Modellorganismen von Angiospermen beschränkt, so dass diese Informationen die Basis f{\"u}r die Forschung an Trockenheit und Hitzestress darstellen. Die Untersuchung der Stressadaption innerhalb und zwischen verschiedenen Pflanzengattungen ist von besonderer Relevanz. Vor diesem Hintergrund habe ich im Rahmen meiner Doktorarbeit die Überlebensstrategie der extremophilen W{\"u}stenpflanze Phoenix dactylifera (Dattelpalme) im Vergleich zu zwei Mesophilen, der Kulturpflanze Hordeum vulgare (Gerste) und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, untersucht. Dattelpalmen sind nicht sukkulente W{\"u}stenpflanzen, die auch unter extremen Trocken- und Hitzebedingungen in den W{\"u}sten der Arabischen Halbinsel wachsen und ertragreich Fr{\"u}chte produzieren. In Phoenix dactylifera ist bislang weder die Molekularbiologie und -physiologie der Schließzellen, vor allem der Anionenkanäle, verstanden, noch wurde der Hitzeschutz ihrer Zuckertransportproteine untersucht. Um die stomatäre Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA (Abscisinsäure) zu verstehen, klonierten wir die Hauptkomponenten des schnellen ABA-Signalwegs von Schließzellen und analysierten den Öffnungsmechanismus der Anionenkanäle aus der Dattelpalme und der Gerste vergleichend zu dem Anionenkanal aus Arabidopsis im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Beide monokotyledonen Pflanzenarten (Gerste und Dattelpalme) besitzen stomatäre Komplexe, die aus Schließzellen und Nebenzellen bestehen. Dies unterscheidet die Monokotyledonen von den Dikotyledonen, die normalerweise Stomakomplexe aufweisen, die nur aus einem Paar Schließzellen gebildet werden. Interessanterweise schlossen sich Dattelpalmen- und Gerstenstomata als Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat. Der heterolog-exprimierte Anionenkanal PdSLAC1 wird durch die ABA-Kinase PdOST1 aktiviert und diese Aktivierung wird durch die Koexpression der PP2C-Phosphatase ABI1 gehemmt. Daher wird PdSLAC1 wie seine Orthologen aus Gerste und Arabidopsis durch ein ABA-abhängiges Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsnetzwerk gesteuert. PdOST1 aktivierte den Anionenkanal PdSLAC1 jedoch nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat - eine elektrische Eigenschaft, die PdSLAC1 mit HvSLAC1 der Gerste gemein hat, sich jedoch von AtSLAC1 unterscheidet. Angesichts der Tatsache, dass in Gegenwart von Nitrat ABA den Stomaschluss verstärkt und beschleunigt, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass bei Dattelpalmen und Gerste Nitrat als Ligand zum Öffnen von SLAC1 benötigt wird. Dies initiiert die Depolarisation der Schließzellen und leitet schließlich den Stomaschluss ein, um den Wasserverlust der Pflanzen unter Trockenstressbedingungen zu minimieren. Um die monokotyledone spezifische Nitratabhängigkeit von SLAC1 zu verstehen, f{\"u}hrten wir ortsgerichtete Mutagenesestudien auf Basis eines 3D-Modells durch, welche zudem vergleichende Studien an Chimären von Monokotylen- und Dikotylen-SLAC1 Anionenkanälen umfassten. Unsere Struktur-Funktions-Forschung identifizierte zwei Aminosäurenreste auf der Transmembrandomäne 3 (TMD3), die eine wesentliche Rolle bei der Nitrat-abhängigen Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen monokotyledoner Pflanzen spielen. Die phylogenetische Analyse ergab schließlich, dass während der Evolution die f{\"u}r Monokotlyedonen spezifische Nitrat-abhängige Regulierung erst nach der Trennung in Monokotyledonen und Dikotyledonen auftrat. Durch die Nitrat-sensitive Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen beruht der schnelle Stomaschluss von Monokotyledonen auf dem Zusammenspiel des Trockenstresshormons ABA und dem Stickstoffhaushalt der Pflanze. Da der ABA-Signalweg von Arabidopsis umfassend untersucht wurde, könnte die Entdeckung des monokotyledonen spezifischen Nitrat-abhängigen Motivs in TMD3 nun als Stellschraube zur Verbesserung der Z{\"u}chtungsprogramme dikotyledoner Nutzpflanzen dienen. W{\"u}stenpflanzen leiden nicht nur unter Trockenheit, sondern auch unter extremem Hitzestress. Wir konnten zeigen, dass hitzebelastete Dattelpalmen große Mengen der fl{\"u}chtigen Kohlenwasserstoffverbindung Isopren (2-Methyl-1,3-Butadien) produzieren und emittieren. Durch die vor{\"u}bergehende Freisetzung von Isopren kann die Pflanze die Photosynthese auch bei extremen Temperaturen betreiben. Es ist jedoch nicht bekannt, ob und wie Isopren in Hitzeperioden auch Transportprozesse durch biologische Membranen sch{\"u}tzt. Um den Einfluss von Isopren auf den Transmembrantransport zu untersuchen, identifizierten und klonierten wir den Protonen-gekoppelten Saccharosetransporter 1 (PdSUT1) der Dattelpalme und verglichen seine elektrischen Eigenschaften mit ZmSUT1 (Zea mays Sucrose Transporter 1) im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Interessanterweise waren das elektrische Verhalten, die kinetischen Eigenschaften und die Temperaturabhängigkeit beider Transporter ähnlich. Die Anwendung von Isopren veränderte jedoch massiv die Affinität von ZmSUT1 zu seinem Substrat Saccharose, während die Affinität des Transporters der Dattelpalme nur schwach beeinflusst wurde. Es wird angenommen, dass die Membranfluidität unter Hitzestress erniedrigt ist, welches durch Interkalierung von Isopren mit den Fettsäureketten biologischer Membrane einhergeht. Dies und die Unempfindlichkeit von PdSUT1 gegen{\"u}ber Isopren deuten darauf hin, dass der Saccharosetransporter PdSUT1 aus der W{\"u}stenpflanze auch bei hohen Temperaturen Saccharose mit hoher Affinität transportiert. Zuk{\"u}nftige Studien m{\"u}ssen nun klären, ob der fl{\"u}chtige Kohlenwasserstoff Isopren einen direkten Einfluss auf den Transporter selbst hat oder Isopren in die Membran integriert und damit indirekt die Eigenschaften von Transportproteinen beeinflusst. Unabhängig von der Wirkungsweise von Isopren sollte nicht unerwähnt bleiben, dass PdSUT1 gegen{\"u}ber Isopren weniger empfindlich ist als sein Ortholog ZmSUT1 aus Mais. Dies kann auf eine Anpassung des Saccharosetransporters an die extremen Hitzeperioden und die damit einhergehende Isoprenemission von Dattelpalmen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sein.},
  subject      = {Dattelpalme},
  language  = {de}
}