@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{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}
}
@phdthesis{Dindas2019,
  author    = {Dindas, Julian},
  title     = {Cytosolic Ca\(^2\)\(^+\), a master regulator of vacuolar ion conductance and fast auxin signaling in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)},
  doi       = {10.25972/OPUS-15863},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-158638},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Das Phytohormon Auxin erf{\"u}llt wichtige Funktionen bei der Initiierung von pflanzlichen Geweben und Organen, wie auch in der Steuerung des Wurzelwachstums im Zusammenspiel mit {\"a}ußeren Reizen wie Schwerkraft, Wasser- und N{\"a}hstoffverf{\"u}gbarkeit. Diese Funktionen basieren dabei vor allem auf der Auxin-abh{\"a}ngigen Regulation von Zellteilung und -streckung. Wichtig f{\"u}r letzteres ist dabei die Kontrolle des Zellturgors durch die Vakuole. Als Speicher f{\"u}r N{\"a}hrstoffe, Metabolite und Toxine sind Vakuolen von essentieller Bedeutung. Vakuol{\"a}r gespeicherte Metabolite und Ionen werden sowohl {\"u}ber aktive Transportprozesse, als auch passiv durch Ionenkan{\"a}le, {\"u}ber die vakuol{\"a}re Membran mit dem Zytoplasma ausgetauscht. In ihrer Funktion als second messenger sind Kalziumionen wichtige Regulatoren, aber auch Gegenstand vakuol{\"a}rer Transportprozesse. {\"A}nderungen der zytosolischen Kalziumkonzentration wirken nicht nur lokal, sie werden auch mit einer Signalweiterleitung {\"u}ber l{\"a}ngere Distanzen in Verbindung gebracht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden elektrophysiologische Methoden mit bildgebenden Methoden kombiniert um Einblicke in das Zusammenspiel zwischen zytosolischen Kalziumsignalen, vakuol{\"a}rer Transportprozesse und der Auxin-Physiologie im intakten pflanzlichen Organismus zu gewinnen. Kalziumsignale sind an der Regulierung vakuol{\"a}rer Ionenkan{\"a}le und Transporter beteiligt. Um dies im intakten Organismus zu untersuchen wurden im Modellsystem junger Wurzelhaare von Arabidopsis thaliana Messungen mit intrazellul{\"a}ren Mikroelektroden durchgef{\"u}hrt. Mittels der Zwei-Elektroden-Spannungsklemm-Technik konnte best{\"a}tigt werden, dass die vakuol{\"a}re Membran der limitierende elektrische Wiederstand w{\"a}hrend intravakuol{\"a}rer Messungen ist und so gemessene Ionenstr{\"o}me in der Tat nur die Str{\"o}me {\"u}ber die vakuol{\"a}re Membran repr{\"a}sentieren. Die bereits bekannte zeitabh{\"a}ngige Abnahme der vakuol{\"a}ren Leitf{\"a}higkeit in Einstichexperimenten konnte weiterhin mit einer einstichbedingten, transienten Erh{\"o}hung der zytosolischen Kalziumkonzentration korreliert werden. Durch intravakuol{\"a}re Spannungsklemmexperimente in Wurzelhaarzellen von Kalziumreporterpflanzen konnte dieser Zusammenhang zwischen vakuol{\"a}rer Leitf{\"a}higkeit und der zytosolischen Kalziumkonzentration best{\"a}tigt werden. Die Vakuole ist jedoch nicht nur ein Empf{\"a}nger zytosolischer Kalziumsignale. Da die Vakuole den gr{\"o}ßten intrazellul{\"a}ren Kalziumspeicher darstellt, wird seit Langem diskutiert, ob sie auch an der Erzeugung solcher Signale beteiligt ist. Dies konnte in intakten Wurzelhaarzellen best{\"a}tigt werden. {\"A}nderungen des vakuol{\"a}ren Membranpotentials wirkten sich auf die zytosolische Kalziumkonzentration in diesen Zellen aus. W{\"a}hrend depolarisierende Potentiale zu einer Erh{\"o}hung der zytosolischen Kalziumkonzentration f{\"u}hrten, bewirkte eine Hyperpolarisierung der vakuol{\"a}ren Membran das Gegenteil. Thermodynamische {\"U}berlegungen zum passiven und aktiven Kalziumtransport {\"u}ber die vakuol{\"a}re Membran legten dabei den Schluss nahe, dass die hierin beschriebenen Ergebnisse das Verhalten von vakuol{\"a}ren H+/Ca2+ Austauschern wiederspiegeln, deren Aktivit{\"a}t durch die protonenmotorische Kraft bestimmt wird. Im Rahmen dieser Arbeit stellte sich weiterhin heraus, dass zytosolisches Kalzium ebenso ein zentraler Regulator eines schnellen Auxin-induzierten Signalweges ist, {\"u}ber den der polare Transport des Hormons reguliert wird. Im gleichen Modellsystem junger Wurzelhaare konnte gezeigt werden, dass die externe Applikation von Auxin eine sehr schnelle, Auxinkonzentrations- und pH-abh{\"a}ngige Depolarisation des Plasmamembranpotentials zur Folge hat. Synchron zur Depolarisation des Plasmamembranpotentials wurden im Zytosol transiente Kalziumsignale registriert. Diese wurden durch einen von Auxin aktivierten Einstrom von Kalziumionen durch den Ionenkanal CNGC14 hervorgerufen. Experimente an Verlustmutanten als auch pharmakologische Experimente zeigten, dass zur Auxin-induzierten Aktivierung des Kalziumkanals die Auxin-Perzeption durch die F-box Proteine der TIR1/AFB Familie erforderlich ist. Durch Untersuchungen der Auxin-abh{\"a}ngigen Depolarisation wie auch des Auxin-induzierten Einstroms von Protonen in epidermale Wurzelzellen von Verlustmutanten konnte gezeigt werden, dass die sekund{\"a}r aktive Aufnahme von Auxin durch das hochaffine Transportprotein AUX1 f{\"u}r die schnelle Depolarisation verantwortlich ist. Nicht nur die zytosolischen Kalziumsignale korrelierten mit der CNGC14 Funktion, sondern ebenso die AUX1-vermittelte Depolarisation von Wurzelhaaren. Eine unver{\"a}nderte Expression von AUX1 in der cngc14 Verlustmutante legte dabei den Schluss nahe, dass die Aktivit{\"a}t von AUX1 posttranslational reguliert werden muss. Diese Hypothese erfuhr Unterst{\"u}tzung durch Experimente, in denen die Behandlung mit dem Kalziumkanalblocker Lanthan zu einer Inaktivierung von AUX1 im Wildtyp f{\"u}hrte. Die zytosolische Beladung einzelner epidermaler Wurzelzellen mit Auxin hatte die Ausbreitung lateraler und acropetaler Kalziumwellen zur Folge. Diese korrelierten mit einer Verschiebung des Auxin-Gradienten an der Wurzelspitze und unterst{\"u}tzten somit eine hypothetische Kalziumabh{\"a}ngige Regulation des polaren Auxin Transports. Ein Model f{\"u}r einen schnellen, Auxin induzierten und kalziumabh{\"a}ngigen Signalweg wird pr{\"a}sentiert und dessen Bedeutung f{\"u}r das gravitrope Wurzelwachstum diskutiert. Da die AUX1-vermittelte Depolarisation in Abh{\"a}ngigkeit von der externen Phosphatkonzentration variierte, wird die Bedeutung dieses schnellen Signalwegs ebenso f{\"u}r die Anpassung des Wurzelhaarwachstums an eine nicht ausreichende Verf{\"u}gbarkeit von Phosphat diskutiert.},
  subject      = {Ackerschmalwand},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Koers2013,
  author    = {Koers, Sandra},
  title     = {Die Rolle der S-Typ Anionenkan{\"a}le in der Reaktion von Gerstenschließzellen auf Blumeria graminis f. sp. hordei},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-77335},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {In ihrer Evolution mussten Pflanzen Strategien entwickeln um sich sowohl gegen Pathogene aus der Luft als auch solche im Boden zu verteidigen. Diese Resistenzmechanismen der Pflanzen zu verstehen ist von h{\"o}chster Wichtigkeit f{\"u}r die moderne Gesellschaft. Die Weltbev{\"o}lkerung w{\"a}chst schnell, was zu der Notwendigkeit f{\"u}hrt, die landwirtschaftlichen Fl{\"a}chen m{\"o}glichst optimal zu nutzen. Ohne die Weiterentwicklung der landwirtschaftlichen Methoden wird eine ausreichende Versorgung mit Grundnahrungsmitteln nicht m{\"o}glich sein. Obwohl nicht viele Daten zu diesem Thema vorliegen, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein hoher Prozentsatz der j{\"a}hrlichen Ernteverluste auf Pflanzenkrankheiten zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist (Orke et al. 1994, Pinstrup-Andersen; 2001). Der Ernteverlust ist nicht ausschließlich auf den Tod der infizierten Pflanze zur{\"u}ckzuf{\"u}hren, sondern vielmehr auf die sogenannten Resistenzkosten Walters und Heil; 2007). Um sich gegen das Pathogen zu sch{\"u}tzen m{\"u}ssen Ressourcen genutzt werden, die sonst f{\"u}r die korrekte Entwicklung der Pflanze, sowie der Samen und Fr{\"u}chte verwendet w{\"u}rden. Die pflanzliche Cuticula, welche die Blattoberfl{\"a}che bedeckt, ist die erste Verteidigungslinie gegen pathogene Microorganismen, die durch die Luft verbreitet werden. Um diese Barriere zu umgehen nutzen Bakterien und einige Pilze die Stomata als Eingang in den Apoplasten der Bl{\"a}tter. Dies kann durch die Pflanze allerdings verhindert werden, indem diese Poren geschlossen werden. Diese Schließzellantwort wurde zun{\"a}chst als Teil der Immunantwort auf Bakterien angesehen (Melotto et al. 2006). Nichtsdestotrotz konnte beobachtet werden, dass die Stomata auch w{\"a}hrend der Infektion des Mehltaupilzes schließen, obwohl dieser nicht durch die Stomata in das Blatt eindringen. Daher haben wir Einzelzellstudien an intakten Gerstenpflanzen vorgenommen um zu kl{\"a}ren, wie die Signale erkannt und weitergeleitet werden, die schließlich zum pathogen-induzierten Stomaschluss f{\"u}hren (Koers et al. 2011). Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Stomaschluss ein wichtiger Bestandteil der pflanzlichen Immunantwort ist. Innerhalb dieser Antwort der Stomata auf durch Wind {\"u}bertragene Pathogene, spielt die Aktivierung der S-Typ Anionenkan{\"a}le eine entscheidende Rolle. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Immunantwort die Licht-induzierte Inhibierung dieser Anionenkan{\"a}le außer Kraft setzt. S-Typ Anionenkan{\"a}le sind aber nicht allein in der Pathogenabwehr von Bedeutung, sondern auch in der Reaktion der Pflanzen auf Trockenstress. Es ist jedoch nicht bekannt, in wie weit sich die beiden Signalwege {\"u}berschneiden. Zusammen mit den neuen mutierten Gerstenlinien, werden die in dieser Arbeit beschriebenen Techniken zur Messung von Einzelzellen tiefere Einsichten in das Zusammenspiel zwischen Trockenstress und Pathogenabwehr in Pflanzen erm{\"o}glichen. Die daraus resultierenden Ergebnisse k{\"o}nnen zur Optimierung von Getreide f{\"u}r die moderne Landwirtschaft genutzt werden. Dies wird einer der wichtigsten Ans{\"a}tze sein, um die Menschheit auch in Zukunft mit ausreichend Nahrung versorgen zu k{\"o}nnen.},
  subject      = {Elektrophysiologie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Jeworutzki2009,
  author    = {Jeworutzki, Elena},
  title     = {Elektrophysiologische Untersuchungen zur fr{\"u}hen Erkennungsphase zwischen Pflanzen und Mikroorganismen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-47489},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {An der pflanzlichen Plasmamembran geschieht die erste Wahrnehmung von mikrobiellen Molek{\"u}len, die MAMPs genannt werden. MAMP/PAMP Rezeptoren leiten fr{\"u}he Abwehrantworten, wie die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), externe Alkalisierung oder Ethylen, ein. Die Arabidopsis FLS2 rezeptorartige Kinase (RLK) stellt einen plasmamembran-lokalisierten MAMP Rezeptor dar, der {\"u}ber die Detektion des Flagellum von Pseudomonas species, eine basale Immunit{\"a}t in Arabidopsis thaliana vermittelt. Flg22, der k{\"u}rzeste aktive Teil des bakteriellen Flagellins besteht aus 22 Aminos{\"a}uren und ist der bestuntersuchte bakterielle Elizitor. In der vorliegenden Arbeit zeigen wir eine starke Beteiligung von Ionenfl{\"u}ssen in der Initiationsphase der basalen Immunit{\"a}t. Unsere Messungen an intakten Arabidopsis Pflanzen und Pflanzengeweben sind in h{\"o}chstem Masse reproduzierbar und {\"o}ffnen eine neue Sicht, {\"u}ber die Natur von Ionentransporten in der Pflanzen - Mikroben Interaktion. Als Antwort auf die Applikation von flg22, haben wir nach einer Verz{\"o}gerungsphase von etwa 2 Minuten eine transiente, dosis-abh{\"a}ngige Depolarisation (EC50=0,2 nM) in Mesophyll- und Wurzelhaarzellen von A. thaliana messen k{\"o}nnen. Das um 2 Amins{\"a}uren k{\"u}rzere Peptid flg22 \&\#916;2 oder das Flagellin anderer Bakterien (Agrobacterium or Azospirillum) f{\"u}hrten zu keiner Membrandepolarisation. Ebenso konnten keine Membranspannungs{\"a}nderungen in dem Arabidopsis {\"O}kotypen Ws-0, dem der funktionelle FLS2 Rezeptor fehlt, detektiert werden. Die Komplementation von Ws-0 Pflanzen mit dem intakten FLS2 Rezeptorgen rief eine Resensibilisierung f{\"u}r flg22 hervor. Mit dem EF-Tu Elizitor Peptid aus E.coli, welches durch den Arabidopsis MAMP Rezeptor EFR detektiert wird, wurden {\"a}hnliche Ergebnisse erzielt. Auf der Basis von Aequorin wurden Kalzium-induzierte Lumineszenzmessungen durchgef{\"u}hrt, in denen ein transienter Anstieg der zytosolischen Kalziumkonzentration als Antwort auf die Applikation von flg22 gemessen werden konnte. Dosis-Abh{\"a}ngigkeitsmessungen von flg22 und [Ca2+]cyt wiesen zwei unterschiedliche EC50 Werte, von 43 ± 2 pM und 67 ± 42 nM, auf. M{\"o}glicherweise wird auf zwei verschiedene Kalziumpools zugegriffen oder es werden zwei verschiedene Kalziumleitf{\"a}higkeiten aktiviert. Die Ionenkanalaktivierung und folgende Depolarisation ben{\"o}tigt die aktive Rezeptorkinase. In bak1-4 Arabidopsis Pflanzen, in denen die FLS2 Untereinheit BAK1 - eine weitverbreitete RLK, die auch mit dem Brassinosteroid Rezeptor assoziiert ist - fehlt, konnte keine Depolarisation als Antwort auf flg22 gemessen werden. Arabidopsis Mesophyllzellen zeigten die typische Alkalisierung des Apoplasten als Antwort auf flg22. Nicht-invasive MIFETM Experimente mit Ionen-selektiven Elektroden ergaben, dass der pH-Anstieg durch einen Einstrom von Protonen hervorgerufen wurde. Zus{\"a}tzlich wurde ein Ausstrom von Chlorid und Kalium aufgezeichnet. {\"A}hnlich wie das Kalziumsignal waren alle detektierten Ionenstr{\"o}me von transienter Natur. Im zweiten Ansatz wurden Membranpotential-Messungen durchgef{\"u}hrt, w{\"a}hrend in der externen L{\"o}sung die Konzentrationen von Protonen, Kalzium, Kalium oder Anionen variiert wurden. Nur eine {\"A}nderung des Anionengradienten hatte einen entscheidenden Einfluss auf die flg22-induzierte Depolarisation, was die Wichtigkeit der Anionenkanalaktivierung unterstreicht. Exudat Analysen ergaben, dass Nitrat das bevorzugt transportierte Ion ist. Unter zahlreichen getesteten Ionenkanalblockern erwies sich lediglich Lanthan als effektiver Blocker des flg22-induzierten zytosolichen Kalziumanstiegs, des Protoneneinstroms und der Membrandepolarisation. Da Lanthan bekanntlich unspezifische Kationenkan{\"a}le blockt, kann man an diesem Punkt davon ausgehen, dass Kalzium-aktivierte Anionenkan{\"a}le die Membrandepolarisation vermitteln und darauf eine Aktivierung von ausw{\"a}rtsgerichteten Kaliumkan{\"a}len folgt. Zuk{\"u}nftige Studien mit Doppell{\"a}ufigen-Mikroelektroden Spannungsklemmexperimenten oder externen ionenselektiven Elektroden an intakten Schliesszellen werden helfen weitere Informationen {\"u}ber die Natur der Ionenkan{\"a}le in der basalen Immunit{\"a}t oder generell in der Pflanzen-Mikroben Interaktion zu erhalten. {\"U}ber die elektrophysiologische Charakterisierung der multiplen Ionenstr{\"o}me in der basalen Immunit{\"a}t hinaus, ist nat{\"u}rlich der n{\"a}chste wichtige Schritt das oder die Gene zu finden, die f{\"u}r die Ionenkan{\"a}le oder Transporter kodieren, die durch nicht nekrotisierende Elizitoren wie flg22 in der basalen Immunantwort in Pflanzen aktiviert werden.},
  subject      = {Calcium},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Marten2008,
  author    = {Marten, Holger},
  title     = {Rolle und Regulation von Anionenkan{\"a}len w{\"a}hrend der Stomabewegung als Reaktion auf Licht, CO2 und Wasserstress},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-29349},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Die Stomata in der Epidermis von Pflanzen sind Poren, die den Gasaustausch mit der Atmosph{\"a}re regulieren. Die {\"O}ffnungsweite der Stomata kann ver{\"a}ndert werden, was eine Optimierung der CO2 Aufnahme f{\"u}r die Photosynthese erm{\"o}glicht und gleichzeitig den Wasserverlust durch Transpiration minimiert. Um diese Funktion zu erf{\"u}llen, k{\"o}nnen Stomata verschiedene Stimuli wie Wasserstress (durch Abscisins{\"a}ure), Licht und CO2 wahrnehmen. Die oben genannten Reize f{\"u}hren dann zu einer Aufnahme oder Abgabe von osmotisch aktiven Substanzen in zwei Schließzellen, welche die Stoma{\"o}ffnung kontrollieren. Die Rezeptoren zur Wahrnehmung dieser Stimuli, die intrazellul{\"a}ren Signalwege und die beteiligten Ionentransportproteine in den Schließzellen sind nur l{\"u}ckenhaft bekannt. In dieser Arbeit lag ein Hauptaugenmerk auf der Rolle von Anionenkan{\"a}len der Plasmamembran bei Stomabewegungen, sowie auf den Signalwegen welche diese Kan{\"a}le steuern. Die Aktivit{\"a}t der Anionenkan{\"a}le wurde mit der DEVC (Double Electrode Voltage Clamp) Einstich-Methode in Schließzellen in der intakten Pflanze gemessen, kombiniert mit Calcium Imaging durch den Ca2+ Indikator Farbstoff FURA2. Stomaschlussreaktionen werden durch Abscisins{\"a}ure (ABA), CO2 und Dunkelheit induziert und bei allen drei Stimuli konnten wir in Nicotiana tabacum eine Aktivierung von Anionenkan{\"a}len beobachten. Das f{\"u}hrt zu Anionenefflux aus den Schließzellen und einer Depolarisation der Plasmamembran, was wiederum Kalium-Efflux-Kan{\"a}le spannungsabh{\"a}ngig aktiviert. Der resultierende Verlust osmotisch aktiver Teilchen f{\"u}hrt dann zu Turgorabnahme der Schließzellen und Stomaschluss. Das zeitliche Muster der Anionenkanalaktivit{\"a}t bei dem Stomaschluss, ausgel{\"o}st durch CO2, Dunkelheit und ABA war bei allen Reizen {\"a}hnlich. Es zeigte sich eine charakteristische transiente starke und darauf folgende schw{\"a}chere Anionenkanalaktivit{\"a}t. Dieses konservierte Muster l{\"a}sst {\"U}berschneidungen bei der Signaltransduktion der verschiedenen Stimuli vermuten. Die gesteigerte Aktivit{\"a}t der Anionenkan{\"a}le w{\"a}hrend der Reaktion auf ABA und Dunkelheit wurde in ungef{\"a}hr der H{\"a}lfte der Antworten von einem Anstieg der zytosolischen Ca2+ Konzentration begleitet. Bei beiden Stimuli scheinen somit Ca2+ abh{\"a}ngig und unabh{\"a}ngig Signale intrazellul{\"a}r weitergeleitet zu werden. Allerdings war der Effekt der Ca2+ Signale auf die Aktivit{\"a}t der Anionenkan{\"a}le bei den beiden Stimuli unterschiedlich. Eine zytosolisch erh{\"o}hte Ca2+ Konzentration konnte bei Antworten auf ABA nicht mit einer erh{\"o}hten Anionenkanalaktivit{\"a}t in Verbindung gebracht werden, bei Dunkelheit hingegen wurde die Aktivit{\"a}t der Anionenkan{\"a}le in Anwesenheit von Ca2+ gesteigert. Die wichtige Rolle von Anionenkan{\"a}len beim Stomaschluss l{\"a}sst vermuten, dass ihre Deaktivierung eine Vorraussetzung f{\"u}r eine Stoma{\"o}ffnung ist. Blaulicht f{\"u}hrt bei niedrigen Photonen-Fluss Raten zu Stoma{\"o}ffnung und sollte daher Anionenkan{\"a}le inhibieren. {\"U}bereinstimmend damit konnten wir tats{\"a}chlich zeigen, dass Blaulicht in Schließzellen von Vicia faba und Arabidopsis thaliana Anionenkan{\"a}le deaktiviert. Diese Deaktivierung ist von den Phototropin-Blaulichtrezeptoren abh{\"a}ngig, da die Deaktivierung der Anionenkan{\"a}le in Arabidopsis thaliana phot1/phot2 Doppelmutanten nicht beobachtet werden konnte. Neben einer Blaulicht spezifischen Antwort {\"o}ffnen Stomata auch in Antwort auf photosynthetisch aktive Strahlung (PAR). Die PAR Wahrnehmung scheint zu einem wesentlichen Teil {\"u}ber Ver{\"a}nderungen der interzellul{\"a}ren CO2 Konzentration, ausgel{\"o}st durch die Photosyntheseaktivit{\"a}t des Mesophylls, stattzufinden (Roelfsema et al., 2002). In {\"U}bereinstimmung mit dieser Hypothese konnten wir in Schließzellen in Albino Blattarealen von Chlorophytum comosum und gebleichten Vicia faba keine Reaktion auf PAR beobachten, obwohl Schließzellen von Chlorophytum comosum in Albino Bereichen funktionierende Chloroplasten besitzen. Die Rolle von CO2 bei der PAR Antwort haben wir des Weiteren in NtMPK4 antisense Pflanzen untersucht. Stomata von NtMPK4 antisense Pflanzen haben nicht auf {\"A}nderungen in der atmosph{\"a}rischen CO2 Konzentration reagiert und zeigten eine stark reduzierte Antwort auf PAR. Diese Ergebnisse best{\"a}tigen die wichtige Rolle der intrazellul{\"a}ren CO2 Konzentration bei der PAR Antwort, sie zeigen aber auch, dass es anscheinend zus{\"a}tzlich zu CO2 noch ein weiteres PAR abh{\"a}ngiges Signal f{\"u}r Stoma{\"o}ffnung gibt.},
  subject      = {Elektrophysiologie},
  language  = {de}
}