@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}
}