@phdthesis{Gutermuth2017,
  author    = {Gutermuth, Timo},
  title     = {Identifizierung und Charakterisierung des Signalweges zur Aktivierung von Anionenkan{\"a}len w{\"a}hrend des Pollenschlauchwachstums},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-139232},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Pollenschl{\"a}uche sind ein Modellsystem zur Untersuchung pflanzlicher Wachstumsprozesse. Zellwachstum in Pollenschl{\"a}uchen zeichnet sich durch den gerichteten Transport und Fusion von Vesikeln mit der apikalen Zellmembran des Pollenschlauchs aus. Der Vesikeltransport erfolgt entlang des Pollenschlauchs durch Aktin-Filamente bis an die Organell- und Zytoskelett-freie apikale Zone, wo sich die Vesikel sammeln und in oszillierenden Wachstumssch{\"u}ben mit der apikalen Zellmembran fusionieren (Yang et al., 1998; Zonia et al., 2001, Gu et al., 2005; Chen et al., 2003; Gu et al., 2005; de Graaf et al., 2005; Lee et al., 2008; Cheung et al., 2010; Quin und Yang et al., 2011). Die polaren Wachstumsprozesse des Pollenschlauches sind an ein Ionenflussmuster gekoppelt, welches durch den Einsatz der Vibrating Probe-Technik zeitlich aufgel{\"o}st werden konnten. Es konnte ein zeitversetzter oszillierender Einstrom von Calcium, Kalium und Protonen sowie der zeitgleich mit den Wachstumssch{\"u}ben auftretende oszillierende Ausstrom von Chlorid aus der Pollenschlauchspitze nachgewiesen werden (K{\"u}htreiber und Jaffe et al., 1990; Holdaway-Clarke et al., 1997; Feijo et al., 1999, Messerli et al., 1999, Zonia et al., 2001). Die Inhibierung des Chloridausstroms resultiert in einem sofortigen Wachstumsstopp und verdeutlicht die Notwendigkeit des Anionenausstroms f{\"u}r das polare Zellwachstum in Pollenschl{\"a}uchen (Breygina et al., 2009). Durch die in dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Experimente konnten die an dem Anionenausstrom beteiligten Anionenkan{\"a}le, sowie deren Ca2+-abh{\"a}ngigen regulatorischen Komponenten identifiziert und mit Hilfe der TEVC-Technik elektrophysiologisch an intakten Arabidopsis thaliana-Pollenschl{\"a}uchen charakterisiert werden. Weiterhin konnte die physiologische Rolle der f{\"u}r den Anionenausstrom verantwortlichen Kan{\"a}le auf das polare Zellwachstum in Arabidopsis thaliana Pollenschl{\"a}uchen nachgewiesen werden. Durch Transkriptionsanalysen wurde die Expression des S-Typ-Anionenkanals SLAH3 sowie der R-Typ-Anionenkan{\"a}le ALMT12, ALMT13 und ALMT14 in Arabidopsis thaliana Pollenschl{\"a}uchen belegt und deren transkriptionelle Regulation durch die Anionenkonzentration und Komposition des Keimungsmediums nachgewiesen werden. Eine elektrophysiologische Charakterisierung an intakten Arabidopsis thaliana Pollenschl{\"a}uchen konnte sowohl einen Anstieg der SLAH3 vermittelten S-Typ-Str{\"o}me, als auch ALMT12-, ALMT13- und ALMT14 vermittelte R Typ-Anionenstr{\"o}me bei steigenden Anionenkonzentrationen im Keimungsmedium nachweisen. Die Charakterisierung der Verlustmutanten von SLAH3, ALMT12, ALMT13 und ALMT14 resultierte in einer Abnahme des Anionenausstroms und einer Reduktion des L{\"a}ngenwachstums der getesteten Mutanten. Es konnten ebenfalls die regulatorischen Komponenten der Signalkette zur Anionenkanalaktivierung identifiziert werden. Die Aktivierung von SLAH3 und ALMT12 durch die Calcium-abh{\"a}ngigen Kinasen CPK2, CPK20 und CPK6 aus Arabidopsis thaliana Pollenschl{\"a}uchen konnte mittels einer Kombination von elektrophysiologischen- und molekularbiologischen Techniken nachgewiesen werden. Somit wurden nicht nur die f{\"u}r den Anionenausstrom verantwortlichen Anionenkan{\"a}le identifiziert, sondern auch die Signalkette zu deren Aktivierung durch spitzenlokalisierte Calcium-abh{\"a}ngige Kinasen aufgekl{\"a}rt werden. Diese Signalkaskade f{\"u}hrt ebenfalls durch die artifizielle Erh{\"o}hung der zytoplasmatischen Calciumkonzentration durch das Calcium-Ionophor A23187 zu einem Anstieg des S Typ- und R Typ Anionenkanalaktivit{\"a}t in Arabidopsis thaliana-Pollenschl{\"a}uchen. Eine intensivere Charakterisierung des entdeckten Calcium-vermittelten Anionenausstroms erfolgte am transgenen pLat52-Chlorid-Sensor bzw. an YC3.6 Tabak Pollenschl{\"a}uchen durch die Kombination von TEVC-Technik und Fluoreszensmikroskopie. Dies erm{\"o}glichte die simultane Messung der zytoplasmatischen Calcium- bzw. Chloridkonzentration in Nicotiana tabacum Pollenschl{\"a}uchen bei gleichzeitiger Ableitung der Ganzzellstr{\"o}me. Die elektrophysiologische und fluoreszenzmikroskopische Charakterisierung erbrachte erstmals den Nachweis f{\"u}r eine exklusive Lokalisation von hyperpolarisations-aktivierten Calciumkan{\"a}len in der Pollenschlauchspitze, welche sich durch die Verwendung der TEVC-Technik gezielt aktivieren ließen. Diese Aktivierung der spitzenlokalisierten Calciumkan{\"a}le induziert den Anionenausstrom durch den Anstieg der apikalen Calciumkonzentration. Die Inhibierung der Calciumkan{\"a}le durch den Calciumkanalblocker Lanthan f{\"u}hrt zu einem vollst{\"a}ndigen Verlust des Calciumeinstroms und des daraus resultierenden Anioneneinstroms. Durch die Inhibierung der Calciumkan{\"a}le kommt es gleichzeitig zu einer Akkumulation von Chlorid in der apikalen Zone, die zum Anschwellen der Pollenschlauchspitze f{\"u}hrt. Die Inhibierung der Anionenkan{\"a}le durch Niflums{\"a}ure hat hingegen keinen Einfluss auf den spitzenlokalisierten Calciumeinstrom, sondern reduziert nur den gemessenen Anionenausstrom. Somit wird ein kausaler Zusammenhang zwischen der Erh{\"o}hung der apikalen Ca2+-Konzentration und einer Anionenkanalaktivierung weiter verdeutlicht. Durch die Anwendung der TEVC-Technik an intakten Pollenschl{\"a}uchen konnten erstmals Aktionspotenzial {\"a}hnliche Depolarisierungstransienten, welche sich auf die apikale Zone des Pollenschlauchs beschr{\"a}nken und zeitgleich mit dem Anionenausstrom stattfinden, nachgewiesen werden. Durch diese Arbeit kann erstmals ein Modell des Calcium-vermittelten oszillierenden Anionenausstroms aus der Pollenschlauchspitze aufgestellt werden. Dieses verkn{\"u}pft die Regulation der beteiligten R-Typ-Anionenkan{\"a}le ALMT12, ALMT13 und ALMT14 und des S-Typ-Anionenkanals SLAH3 durch die Calcium-abh{\"a}ngigen Kinasen CPK2, CPK20 und CPK6 mit dem spitzenlokalisierten oszillierenden Calciumeinstrom. Das Modell verdeutlicht die physiologische Bedeutung des simultanen Ca2+-Ein- und Anionenausstroms f{\"u}r das polare Zellwachstum von Pollenschl{\"a}uchen.  },
  subject      = {Pollenschlauch},
  language  = {de}
}