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Whereas the role of calcium ions (Ca\(^{2+}\)) in plant signaling is well studied, the physiological significance of pH‐changes remains largely undefined.
Here we developed CapHensor, an optimized dual‐reporter for simultaneous Ca\(^{2+}\) and pH ratio‐imaging and studied signaling events in pollen tubes (PTs), guard cells (GCs), and mesophyll cells (MCs). Monitoring spatio‐temporal relationships between membrane voltage, Ca\(^{2+}\)‐ and pH‐dynamics revealed interconnections previously not described.
In tobacco PTs, we demonstrated Ca\(^{2+}\)‐dynamics lag behind pH‐dynamics during oscillatory growth, and pH correlates more with growth than Ca\(^{2+}\). In GCs, we demonstrated abscisic acid (ABA) to initiate stomatal closure via rapid cytosolic alkalization followed by Ca2+ elevation. Preventing the alkalization blocked GC ABA‐responses and even opened stomata in the presence of ABA, disclosing an important pH‐dependent GC signaling node. In MCs, a flg22‐induced membrane depolarization preceded Ca2+‐increases and cytosolic acidification by c. 2 min, suggesting a Ca\(^{2+}\)/pH‐independent early pathogen signaling step. Imaging Ca2+ and pH resolved similar cytosol and nuclear signals and demonstrated flg22, but not ABA and hydrogen peroxide to initiate rapid membrane voltage‐, Ca\(^{2+}\)‐ and pH‐responses.
We propose close interrelation in Ca\(^{2+}\)‐ and pH‐signaling that is cell type‐ and stimulus‐specific and the pH having crucial roles in regulating PT growth and stomata movement.
Optogenetics was developed in the field of neuroscience and is most commonly using light-sensitive rhodopsins to control the neural activities. Lately, we have expanded this technique into plant science by co-expression of a chloroplast-targeted β-carotene dioxygenase and an improved anion channelrhodopsin GtACR1 from the green alga Guillardia theta. The growth of Nicotiana tabacum pollen tube can then be manipulated by localized green light illumination. To extend the application of analogous optogenetic tools in the pollen tube system, we engineered another two ACRs, GtACR2, and ZipACR, which have different action spectra, light sensitivity and kinetic features, and characterized them in Xenopus laevis oocytes, Nicotiana benthamiana leaves and N. tabacum pollen tubes. We found that the similar molecular engineering method used to improve GtACR1 also enhanced GtACR2 and ZipACR performance in Xenopus laevis oocytes. The ZipACR1 performed in N. benthamiana mesophyll cells and N. tabacum pollen tubes with faster kinetics and reduced light sensitivity, allowing for optogenetic control of anion fluxes with better temporal resolution. The reduced light sensitivity would potentially facilitate future application in plants, grown under low ambient white light, combined with an optogenetic manipulation triggered by stronger green light.
Invertasen spielen eine zentrale Rolle im Metabolismus der Pflanzen und werden über eine Vielzahl von Faktoren in ihrer Regulation beeinflusst. Invertasen mit pH-Optimum im sauren Bereich liegen dabei als vakuoläre und zellwandgebundene Isoformen einer Genfamilie in den Pflanzen vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum ersten Mal 9 putative Invertasen aus der Nutzpflanze Brassica napus, sowie 4 weitere putative Mitglieder der bereits bekannten Tabakinvertasenfamilie isoliert und Expressionsprofile für die neu klonierten Invertasen erstellt. Symplastisch isolierte Zellen, wie z. B. Pollen und Pollenschläuche, sind auf die Expression zellwandgebundener Invertasen besonders angewiesen, da sie Kohlen-hydrate primär in Form von Fructose und Glucose aufnehmen, die über die Invertasen-vermittelte Spaltung aus Saccharose gebildet werden. An Tabak hatten Goetz et al. (2001) gezeigt, dass eine Inhibierung dieser pollen¬spezi¬fischen Invertaseaktivität zu männlich sterilen Pflanzen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass durch Inhibierung der Zellwandinvertase¬aktivität mittels Antisense-Technik oder Expression des proteinogenen Invertase-Inhbitors AtC/VIF2 auch männlich sterile Arabidopsis-Pflanzen generiert werden können. Ein Aktivitätsvergleich der Invertase-promotoren von Nin88 aus Tabak und AtcwINV2 aus Arabidopsis im jeweiligen homo- und heterologen System zeigte jedoch, dass der Einsatz dieser pollenspezifischen Promotoren zur Erzeugung männlich steriler Pflanzen über Familiengrenzen hinweg nicht möglich ist. Neben ihrer Funktion als Energieträger stellen Kohlenhydrate auch Signalmoleküle dar, die in die Regulation zentraler Prozesse der Pflanzen eingreifen. Anhand von Keimungsanalysen mit Arabidopsis-Pollen wurde festgestellt, dass Hexokinase-unabhängige Signalingwege involviert sein müssen, um ein Auskeimen der Pollen zu ermöglichen. Dabei kann die Hexokinase-vermittelte Inhibition der Pollenkeimung vermutlich durch die Beteiligung anderer Signaling-Wege aufgehoben werden. Es wurde außerdem die zuckerabhängige Ausbildung blasenartiger Strukturen an Arabidopsis-Pollen nachgewiesen, die vermutlich durch einen Zucker-spezifischen Abbruch des Pollenschlauchwachstums gebildet werden.