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Der Klimawandel geht einher mit einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur und einem dadurch induzierten Wassermangel. Diese beiden abiotischen Stressfaktoren führen 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 über Strategien zur Toleranz gegenüber abiotischem Stress sowie über Genom- und Transkriptionsinformationen auf wenige Modellorganismen von Angiospermen beschränkt, so dass diese Informationen die Basis für 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 Wüstenpflanze Phoenix dactylifera (Dattelpalme) im Vergleich zu zwei Mesophilen, der Kulturpflanze Hordeum vulgare (Gerste) und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, untersucht. Dattelpalmen sind nicht sukkulente Wüstenpflanzen, die auch unter extremen Trocken- und Hitzebedingungen in den Wüsten der Arabischen Halbinsel wachsen und ertragreich Früchte 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, führten 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 für 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 Züchtungsprogramme dikotyledoner Nutzpflanzen dienen. Wüstenpflanzen leiden nicht nur unter Trockenheit, sondern auch unter extremem Hitzestress. Wir konnten zeigen, dass hitzebelastete Dattelpalmen große Mengen der flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindung Isopren (2-Methyl-1,3-Butadien) produzieren und emittieren. Durch die vorübergehende 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 schützt. 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 gegenüber Isopren deuten darauf hin, dass der Saccharosetransporter PdSUT1 aus der Wüstenpflanze auch bei hohen Temperaturen Saccharose mit hoher Affinität transportiert. Zukünftige Studien müssen nun klären, ob der flüchtige 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 gegenüber 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 zurückzuführen sein.

BACKGROUND: The barrier to diffusion of organic solutes across the plant cuticle is composed of waxes consisting of very long-chain aliphatic (VLCA) and, to varying degrees, cyclic compounds like pentacyclic triterpenoids. The roles of both fractions in controlling cuticular penetration by organic solutes, e.g. the active ingredients (AI) of pesticides, are unknown to date. We studied thepermeabilityof isolated leaf cuticularmembranes from Garcinia xanthochymus andPrunus laurocerasus for lipophilic azoxystrobin and theobromine as model compounds for hydrophilic AIs. RESULTS: The wax of P. laurocerasus consists of VLCA (12%) and cyclic compounds (88%), whereas VLCAs make up 97% of the wax of G. xanthochymus.We showthat treating isolated cuticles with methanol almost quantitatively releases the cyclic fraction while leaving the VLCA fraction essentially intact. All VLCAs were subsequently removed using chloroform. In both species, the permeance of the two model compounds did not change significantly after methanol treatment, whereas chloroform extraction had a large effect on organic solute permeability. CONCLUSION: The VLCA wax fractionmakes up the permeability barrier for organic solutes, whereas cyclic compounds even in high amounts have a negligible role. This is of significance when optimizing the foliar uptake of pesticides.

Electrophilic oxylipins trigger a heat-shock-like response in the absence of heat through the canonical heat-shock transcription factor A1, thereby helping to cope with stresses associated with protein damage.Abiotic and biotic stresses are often characterized by an induction of reactive electrophile species (RES) such as the jasmonate 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) or the structurally related phytoprostanes. Previously, RES oxylipins have been shown massively to induce heat-shock-response (HSR) genes including HSP101 chaperones. Moreover, jasmonates have been reported to play a role in basal thermotolerance. We show that representative HSR marker genes are strongly induced by RES oxylipins through the four master regulator transcription factors HSFA1a, b, d, and e essential for short-term adaptation to heat stress in Arabidopsis. When compared with Arabidopsis seedlings treated at the optimal acclimation temperature of 37 A degrees C, the exogenous application of RES oxylipins at 20 A degrees C induced a much weaker induction of HSP101 at both the gene and protein expression levels which, however, was not sufficient to confer short-term acquired thermotolerance. Moreover, jasmonate-deficient mutant lines displayed a wild-type-like HSR and were not compromised in acquiring thermotolerance. Hence, the OPDA- and RES oxylipin-induced HSR is not sufficient to protect seedlings from severe heat stress but may help plants to cope better with stresses associated with protein unfolding by inducing a battery of chaperones in the absence of heat.

In plants, antimicrobial immune responses involve the cellular release of anions and are responsible for the closure of stomatal pores. Detection of microbe-associated molecular patterns (MAMPs) by pattern recognition receptors (PRRs) induces currents mediated via slow-type (S-type) anion channels by a yet not understood mechanism. Here, we show that stomatal closure to fungal chitin is conferred by the major PRRs for chitin recognition, LYK5 and CERK1, the receptor-like cytoplasmic kinase PBL27, and the SLAH3 anion channel. PBL27 has the capacity to phosphorylate SLAH3, of which S127 and S189 are required to activate SLAH3. Full activation of the channel entails CERK1, depending on PBL27. Importantly, both S127 and S189 residues of SLAH3 are required for chitin-induced stomatal closure and anti-fungal immunity at the whole leaf level. Our results demonstrate a short signal transduction module from MAMP recognition to anion channel activation, and independent of ABA-induced SLAH3 activation.

Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) together with the Growth and Differentiation Factors (GDFs) form the largest subgroup of the Transforming Growth Factor (TGF)β family and represent secreted growth factors, which play an essential role in many aspects of cell communication in higher organisms. As morphogens they exert crucial functions during embryonal development, but are also involved in tissue homeostasis and regeneration in the adult organism. Their involvement in maintenance and repair processes of various tissues and organs made these growth factors highly interesting targets for novel pharmaceutical applications in regenerative medicine. A hallmark of the TGFβ protein family is that all of the more than 30 growth factors identified to date signal by binding and hetero-oligomerization of a very limited set of transmembrane serine-threonine kinase receptors, which can be classified into two subgroups termed type I and type II. Only seven type I and five type II receptors exist for all 30plus TGFβ members suggesting a pronounced ligand-receptor promiscuity. Indeed, many TGFβ ligands can bind the same type I or type II receptor and a particular receptor of either subtype can usually interact with and bind various TGFβ ligands. The possible consequence of this ligand-receptor promiscuity is further aggravated by the finding that canonical TGFβ signaling of all family members seemingly results in the activation of just two distinct signaling pathways, that is either SMAD2/3 or SMAD1/5/8 activation. While this would implicate that different ligands can assemble seemingly identical receptor complexes that activate just either one of two distinct pathways, in vitro and in vivo analyses show that the different TGFβ members exert quite distinct biological functions with high specificity. This discrepancy indicates that our current view of TGFβ signaling initiation just by hetero-oligomerization of two receptor subtypes and transduction via two main pathways in an on-off switch manner is too simplified. Hence, the signals generated by the various TGFβ members are either quantitatively interpreted using the subtle differences in their receptor-binding properties leading to ligand-specific modulation of the downstream signaling cascade or additional components participating in the signaling activation complex allow diversification of the encoded signal in a ligand-dependent manner at all cellular levels. In this review we focus on signal specification of TGFβ members, particularly of BMPs and GDFs addressing the role of binding affinities, specificities, and kinetics of individual ligand-receptor interactions for the assembly of specific receptor complexes with potentially distinct signaling properties.