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.

Abbildung 1: Signalpeptide werden von ihren Rezeptoren wahrgenommen und initiieren einen Signalweg in der Zelle. Diese sehr spezifischen Peptid- (Ligand-)Rezeptor-Interaktionen generieren Signale, die zelluläre Aktivitäten steuern. Hier zwei Beispiele für Peptid-Rezeptor-Interaktionen, die gut charakterisiert sind: A) Der CLAVATA-Signalweg, der die Erhaltung von Stammzellen kontrolliert. CLAVATA1 (CLV1) und CLAVATA2 (CLV2) sind 'leucin-rich repeat'-Rezeptorkinasen bzw. Rezeptorproteine. CLAVATA3 (CLV3) ist ein Signalpeptid und ein Ligand dieser Rezeptoren. B) Der ERECTA (ER)-Signalweg, der verschiedene Entwicklungsprozesse in der Pflanze kontrolliert, wie die Stomata-Differenzierung, die Blütenstandbildung, und die Entwicklung der Leitgefäße. ER und ER-LIKE1 (ERL1) und ERL2 agieren redundant und bilden Rezeptorkomplexe mit dem Rezeptorprotein TOO MANY MOUTH (dt: zu viele Münder, TMM). Die Cystein-reichen Peptide EPIDERMAL PATTERNING FACTOR (EPF) und EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE (EPFL) sind ihre Liganden und kontrollieren verschiedene Prozesse in der Pflanze.

Abbildung 2: Ovula-Abstände und die daraus resultierenden Samenabstände in kommerziell erhältlichen Bohnen im Supermarkt. Von oben nach unten: Kaiserschoten, Prinzessbohnen und Stangenbohnen. Jede Bohnenart weist unterschiedliche Abstände zwischen den Samen auf (Pfeile). Um die Samenproduktion der Pflanzen zu steigern, ist die Kontrolle der Abstände zwischen den Ovula das wichtigste Objekt von experimentellen Studien.

Dr. Nozomi Kawamoto, Institut für Entwicklungsgenetik, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zum Nachlesen

Clark, S.E., Williams, R.W., and Meyerowitz, E.M. The CLAVATA1 gene encodes a putative receptor kinase that controls shoot and floral meristem size in Arabidopsis. Cell, 1997, 89, 575-585 Abstract
Fletcher, J.C., Brand, U., Running, M.P., Simon, R., and Meyerowitz, E.M. Signaling of cell fate decisions by CLAVATA3 in Arabidopsis shoot meristems. Science, 1999, 283, 1911-1914 Abstract
Shpak, E.D., McAbee, J.M., Pillitteri, L.J., and Torii, K.U. Stomatal patterning and differentiation by synergistic interactions of receptor kinases. Science, 2005, 309, 290-293 Abstract
Lee, J.S., Kuroha, T., Hnilova, M., Khatayevich, D., Kanaoka, M.M., McAbee, J.M., Sarikaya, M., Tamerler, C., and Torii, K.U. Direct interaction of ligand-receptor pairs specifying stomatal patterning. Genes Dev., 2012, 26, 126-136 Abstract

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich