Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Pflanzen elektrische Felder spüren

06.07.2016

Eine internationale Forschungsgruppe hat den Sensor gefunden, mit dem Pflanzen elektrische Felder wahrnehmen. Kurioser Nebeneffekt: Ihre Arbeit könnte helfen zu verstehen, wie das Ebola-Virus in die Zellen des Menschen eindringt.

Die Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen nutzen elektrische Signale, um miteinander zu kommunizieren. Auf diese Weise sorgen Nervenzellen dafür, dass Muskeln in Aktion treten. Aber auch Blätter melden es mit elektrischen Signalen an andere Teile der Pflanze, wenn sie zum Beispiel verwundet wurden und Gefahr durch hungrige Insekten droht.


Der funktionelle Kaliumkanal TPC1 (l.). Wenn der Kanal öffnet, wird ein elektrisches Signal (rote Stromspur) ausgelöst, und Zellen tauschen Informationen aus.

Grafik: Dirk Becker

„Wir fragen uns seit vielen Jahren, mit welchen molekularen Komponenten sich Pflanzenzellen untereinander austauschen und wie sie die Veränderungen der elektrischen Spannung bemerken“, sagt Professor Rainer Hedrich, Inhaber des Lehrstuhls für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Universität Würzburg.

Ergebnisse in „Plant Biology“ veröffentlicht

Dieses Thema beschäftigt Hedrich schon seit Mitte der 1980er-Jahre, als er noch Postdoktorand im Labor von Erwin Neher am Max-Planck-Institut in Göttingen war. „Wir haben damals mit Hilfe der Patch-Clamp-Technik in Pflanzenzellen erstmals einen Ionenkanal entdeckt, der durch Kalziumionen und ein elektrisches Feld aktiviert wird.“ 2005 fanden andere Wissenschaftler dann das Gen, das diesem Ionenkanal (Name: TPC1) zu Grunde liegt. Und nun hat wiederum Hedrichs Team den Teil des Kanals identifiziert, der als Sensor für elektrische Spannung funktioniert und den Kanal anschaltet.

Die Details dazu sind im Journal „Plant Biology“ veröffentlicht. Die Fachwelt hat sie aufmerksam registriert, und so wurde der Beitrag mittlerweile von der „Faculty of 1000“ (http://f1000.com/prime/726408866?bd=1&ui=203776) hervorgehoben. Diese renommierte Plattform, die wissenschaftliche Veröffentlichungen bewertet, wird von weltweit führenden Fachleuten aus Biologie und Medizin betrieben.

Teamwork deckte Kanalfunktion auf

Die Entdeckung des Spannungssensors beruht auf internationalem Teamwork. Erste Unterstützung holte sich Hedrich an seinem eigenen Lehrstuhl, bei Professor Thomas Müller. Der Strukturbiologe erstellte ein dreidimensionales Modell des TPC1-Kanalproteins. Dadurch ließen sich Bereiche im Protein eingrenzen, die als Spannungssensoren in Frage kommen. „Unser Modell zeigte deutlich, dass der TPC1-Kanal aus zwei miteinander verknüpften, fast identischen Proteineinheiten besteht, die beide je einen potenziellen Spannungssensoren formen könnten“, so Müller.

Noch mehr Licht ins Dunkel brachte eine Analyse zur Evolution des TPC1-Gens. Die Würzburger Wissenschaftler Jörg Schulz, Professor für Bioinformatik, und Dirk Becker, Arbeitsgruppenleiter am Julius-von-Sachs-Pflanzenforschungsinstitut, fanden heraus, dass das Gen erst mit der Evolution von Zellen mit Zellkern zum ersten Mal in Erscheinung tritt. Seitdem besitzen es wohl alle Lebewesen, den Menschen eingeschlossen. „Bei der Analyse fiel uns auf, dass sich die zweite Einheit des TPC1-Proteins im Laufe der Jahrmillionen kaum verändert hat. Sie ist bei einfachen Einzellern bis hin zu Pflanzen und Menschen fast identisch“, so Becker.

Mutationen gaben entscheidenden Hinweis

Der Spannungssensor war also in der zweiten Proteineinheit zu suchen. Die Arbeitsgruppe um die Würzburger Elektrophysiologin Irene Marten brachte dann den entscheidenden experimentellen Hinweis: Pflanzen mit Mutationen in einer speziellen Untereinheit des Kanals haben ihre Fähigkeit verloren, auf das elektrische Feld zu reagieren.

„Gemeinsam mit den ehemaligen Würzburger Biophysikern Gerald Schönknecht, der jetzt an der Oklahoma State University in den USA forscht, und Ingo Dreyer, der nun an der University Talca in Chile ist, haben wir dann ein mathematisches Modell erarbeitet. Es kann erklären, wie der elektrische Schalter im TPC1-Kanalprotein auf molekularer Ebene arbeitet“, erklärt Hedrich.

Was der Pflanzenkanal mit Ebola zu tun hat

Wie wirken sich die Mutationen am TPC1-Kanal aus? Nach den Erkenntnissen der Wissenschaftler lassen sie die Pflanze verwundet erscheinen und verändern die Wahrnehmung und Abwehr von Krankheitserregern. Schon in einer Veröffentlichung von 2009 haben die Würzburger gezeigt, dass Pflanzen, die eine hyperaktive Form des Kanals besitzen, in ständiger Alarmbereitschaft sind und überempfindlich auf Verwundungen oder Insektenbefall reagieren.

„Zusammen mit einer Schweizer Arbeitsgruppe untersuchen wir jetzt, durch welche Eingriffe in den krankmachenden Kanal die Pflanze wieder geheilt werden kann“, sagt Hedrich. „Vielleicht finden wir ja dabei auch Neues über den Infektionsweg von Ebola-Viren heraus.“ Denn diese Krankheitserreger nutzen den TPC1-Kanal des Menschen, um sich Zugang zu seinen Zellen zu verschaffen.

“Gating of the two-pore cation channel AtTPC1 in the plant vacuole is based on a single voltage-sensing domain.” Dawid Jaslan, Thomas D. Müller, Dirk Becker, Jörg Schultz, Tracey Cuin, Irene Marten, Ingo Dreyer, Gerlad Schönknecht und Rainer Hedrich. Plant Biology 2016, Jun 8. doi: 10.1111/plb.12478

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Hansdampf im Katalyselabor: LIKAT-Chemiker vereinfachen die Amin-Synthese
22.10.2018 | Leibniz-Institut für Katalyse e. V. an der Universität Rostock

nachricht Weniger Pestizide, mehr Bildung: 9-Punkte-Plan gegen das Insektensterben
22.10.2018 | Universität Hohenheim

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Auf dem Weg zu maßgeschneiderten Naturstoffen

Biotechnologen entschlüsseln Struktur und Funktion von Docking Domänen bei der Biosynthese von Peptid-Wirkstoffen

Mikroorganismen bauen Naturstoffe oft wie am Fließband zusammen. Dabei spielen bestimmte Enzyme, die nicht-ribosomalen Peptid Synthetasen (NRPS), eine...

Im Focus: Größter Galaxien-Proto-Superhaufen entdeckt

Astronomen enttarnen mit dem ESO Very Large Telescope einen kosmischen Titanen, der im frühen Universum lauert

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Olga Cucciati vom Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) Bologna hat mit dem VIMOS-Instrument am Very Large...

Im Focus: Auf Wiedersehen, Silizium? Auf dem Weg zu neuen Materalien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgarien) und Madrid (Spanien) ein neues, metall-organisches Material entwickelt, welches ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese...

Im Focus: Goodbye, silicon? On the way to new electronic materials with metal-organic networks

Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz (Germany) together with scientists from Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgaria) and Madrid (Spain) have now developed and characterized a novel, metal-organic material which displays electrical properties mimicking those of highly crystalline silicon. The material which can easily be fabricated at room temperature could serve as a replacement for expensive conventional inorganic materials used in optoelectronics.

Silicon, a so called semiconductor, is currently widely employed for the development of components such as solar cells, LEDs or computer chips. High purity...

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Lehren und Lernen mit digitalen Medien im Fokus

22.10.2018 | Veranstaltungen

Natürlich intelligent

19.10.2018 | Veranstaltungen

Rettungsdienst und Feuerwehr - Beschaffung von Rettungsdienstfahrzeugen, -Geräten und -Material

18.10.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lehren und Lernen mit digitalen Medien im Fokus

22.10.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Hansdampf im Katalyselabor: LIKAT-Chemiker vereinfachen die Amin-Synthese

22.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weniger Pestizide, mehr Bildung: 9-Punkte-Plan gegen das Insektensterben

22.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics