Kommunikation zwischen Zellen durch Peptide und Rezeptoren

Die Rolle von Peptiden und Rezeptoren bei der Kommunikation zwischen Pflanzenzellen
Pflanzenzellen kommunizieren miteinander durch verschiedenste Signalmoleküle wie Phytohormone, Zucker oder kurze Eiweiße (Proteine), die sogenannten Peptide.  Wir arbeiten hauptsächlich an kleinen Signalpeptiden und ihren Rezeptoren. Wenn diese Signalpeptide von ihren Rezeptoren an der Plasmamembran (Zelloberfläche) wahrgenommen werden, werden Signale in die Zellen weitergegeben und beeinflussen zelluläre Aktivitäten. In den letzten Jahrzehnten haben viele Studien aufgedeckt, dass eine große Zahl an sekretierten Peptiden an vielen biologischen Prozessen in Pflanzen beteiligt ist. Zum Beispiel sind sie an der Strukturierung von Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter, der Erhaltung der Stammzellen, dem Detektieren von Nährstoffen, der Knöllchenbildung und der Immunabwehr von Pflanzen beteiligt. Im Genom von Arabidopsis thaliana, einem weltweit genutzten Modelorganismus für genetische Studien an Pflanzen, gibt es über 900 mutmaßliche Signalpeptide. Bis jetzt sind die meisten noch nicht untersucht worden. Gleichzeitig gibt es über 600 rezeptorähnliche Kinasen im Arabidopsis-Genom, also Rezeptoren, die andere Proteine phosphorylieren können. Auch ihre Funktionen sind weitgehend unerforscht.

Was ist ein Ovulum?
Die Samenanlage, auch Ovulum genannt, ist der Teil der pflanzlichen Fortpflanzungsorgane, der die Eizellen enthält. Nach der Bestäubung werden die Pollenschläuche von sekretierten Peptiden angezogen und wachsen in Richtung der Eizellen in den Ovula, um eine Befruchtung zu ermöglichen. Nach der Befruchtung entwickeln sich die Samen aus den befruchteten und gereiften Ovula. Das Ovulum stellt also eines der wichtigsten Organe für den Erfolg der pflanzlichen Fortpflanzung dar. Gleichzeitig bestimmt die Anzahl der Ovula die maximale Anzahl der Samen. Während des langen Domestizierungsprozesses der Agrarpflanzen haben Züchter die Pflanzen auf nützliche Eigenschaften selektiert, um die Produktivität der Pflanzen zu steigern. Reis, Gerste und Weizen sind gute Beispiele dafür. Heutzutage profitieren wir von diesen verbesserten Züchtungen. Wenn man zum Beispiel das Frühstück betrachtet: mit Brot und Müsli besteht es hauptsächlich aus Samen. Unser tägliches Leben hängt also zum großen Teil von Samen ab. Können Sie sich ein Leben ohne Bier vorstellen (wie Sie vielleicht wissen, wird Bier aus Gerstenkörnern produziert, beziehungsweise aus Weizenkörnern im Fall von Weizenbier)? Und für Japaner ist natürlich der Reis besonders wichtig, da er sowohl ihre Hauptnahrung darstellt als auch die wichtigste Zutat für Reiswein. Unter diesem Aspekt ist das Ovulum nicht nur wichtig für die Pflanzen, sondern auch für uns Menschen.

Wie die Zell-Zell-Kommunikation den Ovula-Abstand definiert
Innerhalb von CEPLAS untersuchen wir anhand der Model-Pflanze Arabidopsis thaliana die grundlegenden Mechanismen, die den Ovula-Abstand kontrollieren. In genetischen Screenings haben wir Gene gefunden, die für ein sekretiertes Peptid und seinen Rezeptor kodieren, die für die Ovula-Dichte verantwortlich sind. Diese Gene kann man sogar in einfachen Landpflanzen finden, besonders gut konserviert sind sie allerdings in Pflanzen der Kreuzblütler-Familie (Brassicaceae), zu der auch A. thaliana gehört. Bis heute wurden viele Gene identifiziert, die für die Ovula-Entwicklung verantwortlich sind. Jedoch sind die Mechanismen dahinter noch unerforscht. Um Licht in diese Mechanismen zu bringen, haben wir Molekulargenetik (einschließlich Genomedition), Gewebeuntersuchungen, konfokale 3D-Mikroskopie und biochemische Studien zur Peptid-Rezeptor-Interaktion kombiniert. Unsere Untersuchungen zeigen, dass es wahrscheinlich zwei Signalwege gibt, die die Ovuladichte gegensätzlich kontrollieren. Während einer der Signalwege größere Abstände zwischen den Ovula generiert, reduziert der andere den Abstand. Wenn wir in der Lage sind, diese Signalwege zu kontrollieren, können wir Pflanzen entwickeln, die eine höhere Ovuladichte und eine höhere Anzahl von Ovula haben und damit eine größere Anzahl von Samen produzieren. Damit können wir einen Beitrag zur Verbesserung von Agrarpflanzen für die Zukunft leisten.