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Der Mineralstoff Kalzium ist für alle Organismen lebenswichtig. Forscher vom Biozentrum der Uni Würzburg haben jetzt einen neuen Sensor entdeckt, mit dem Pflanzen ihren Kalziumhaushalt in der richtigen Balance halten. Wenn er nicht funktioniert, hat das drastische Folgen.
Sobald gefräßige Raupen an einer Pflanze knabbern, tritt das Wundhormon Jasmonat in Aktion: Es setzt in der Pflanze ein ganzes Arsenal von Abwehrreaktionen in Gang. Unter anderem sorgt es dafür, dass vermehrt Insektengifte entstehen, die den Raupen die Mahlzeit verleiden.
Dieses hormonelle Signal wird nur dann in optimaler Menge hergestellt, wenn Kalzium in der richti-gen Menge vorhanden ist, vermutet Professor Rainer Hedrich, Inhaber des Lehrstuhls für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Universität Würzburg. Hedrich und seine Arbeitsgruppe hat eine Mutante der Pflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gefunden, bei der der Kalziumhaushalt gestört ist. Sie stellt durchweg so große Mengen Jasmonat her – ganz so, als würde sie chronisch von Raupen angefressen.
Mutation legt Kalzium-Sensor lahm
Diesen Unregelmäßigkeiten gingen Hedrich und sein Team auf den Grund. Als Ursache identifizierten die Forscher eine Mutation an dem Ionenkanalprotein TPC1. Dieses misst im Normalfall die Menge an Kalzium in der Zelle und sorgt dafür, dass der Ionenhaushalt im Zellplasma aufrecht gehalten wird. Doch bei der Mutante ist der Kalzium-Sensor defekt, der Kalziumhaushalt gerät durcheinander – mit den geschilderten drastischen Folgen für das Schädlingsabwehrsystem der Pflanze.
Das Protein TPC1, auf dem der Kalzium-Sensor sitzt, durchspannt in der Pflanzenzelle als Kanal für positive geladene Ionen die Membran, die das Zellplasma von der Vakuole abtrennt. Die Vakuole ist eine große Blase, in der Pflanzen in einer wässrigen Lösung im Allgemeinen Kalzium, andere Mineralstoffe und Zucker speichern. Mit dem Sensor registrieren Pflanzen, wie stark ihre Speichervakuolen mit Kalzium gefüllt sind, vermutet Hedrich.
Auf dem Protein TPC1 befindet sich noch ein weiterer Sensor: Er erfasst die Kalziumkonzentration im Zellplasma. Das hat Hedrichs Team schon vor einigen Jahren nachgewiesen. Über weitere Kalzium-Sensoren des Zellplasmas weiß die Pflanzenforschung bereits gut Bescheid. Doch über die Messung des Kalziumpegels in der Vakuole war bislang kaum etwas bekannt.
Aktuelle Publikation in „The Plant Cell“
Den neu entdeckten Sensor stellen die Forscher im renommierten Fachblatt „The Plant Cell“ vor. An der Publikation beteiligt sind neben Rainer Hedrich der Würzburger Strukturbiologe Professor Thomas Müller sowie der ehemalige Würzburger Gerald Schönknecht, der jetzt Professor für Pflanzenwissenschaften an der Oklahoma State University in den USA ist.
„Als nächstes wollen wir den Mechanismus finden, mit dem Pflanzen über die von Kalzium abhängi-gen Kanaleigenschaften von TPC1 die Wundhormonproduktion und damit ihre Abwehrbereitschaft gegen Pflanzenfresser abstimmen“, so Professor Hedrich. Ihm zufolge lassen sich auf Basis der neuen Kalziumbindestelle auch Strategien entwickeln, um die Speicherkapazität von Pflanzen für das lebenswichtige Kalzium gezielt zu verändern.
„A Novel Calcium Binding Site in the Slow Vacuolar Cation Channel TPC1 Senses Luminal Calcium Levels”, Beata Dadacz-Narloch, Diana Beyhl, Christina Larisch, Enrique J. López-Sanjurjo, Ralf Reski, Kazuyuki Kuchitsu, Thomas D. Müller, Dirk Becker, Gerald Schönknecht, and Rainer Hedrich, The Plant Cell, published online before print July 2011, doi: 10.1105/tpc.111.086751
Kontakt
Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de
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