Calcium steuert auch Entwicklungsprozesse

In einer sich ständig verändernden Umgebung müssen sich Pflanzen kurz- und langfristig an ihre Umwelt anpassen, um überleben zu können. Die Signalübertragungsprozesse, die Umweltreize in eine kurzfristige Reaktion der Pflanze umwandeln, sind oft über Calcium gesteuert. Ändert sich der intrazelluläre Calcium-Spiegel, kommt eine Signalkaskade in Gange, bei der es zu schnellen Veränderungen in der Proteinphosphorylierung, in der Genexpression oder in der Stoffzusammensetzung im Zellinneren kommt.

Regulator schneller Signalübertragungen

Calcium-abhängige Proteinkinasen sind Enzyme, die nur bei Pflanzen und Protisten vorkommen. In Arabidopsis thaliana wurden bisher 34 verschiedene Calcium-abhängige Proteinkinasen (CPKs) identifiziert. Mitglieder dieser Familie können sowohl positive als auch negative Regulatoren von schnellen Ca-abhängigen Signalübertragungen, wie beispielsweise Schließung der Stomata oder der Aktivierung der pflanzlichen Immunabwehr gegen Pathogene sein. Auch bei langanhaltenden Adaptationen nach abiotischem Stress scheinen CPKs beteiligt zu sein. Bisher war allerdings nur wenig darüber bekannt, was CPKs zu den Entwicklungsprozessen der Pflanze beitragen und wie sie möglicherweise mit den wachstumsregulierenden Phytohormonen interagieren.

Übergang der vegetativen in die reproduktive Phase

Wissenschaftler der Freien Universität Berlin untersuchten nun die Rolle einer dieser Proteinkinasen mit Namen CPK28. Sie konnten zeigen, dass CPK28 maßgeblich an der Steuerung des Übergangs der vegetativen in die reproduktive Phase, in der die Pflanze Blüten zur Erzeugung von Samen ausbildet, beteiligt ist. Dazu benutzten sie mutierte Arabidopsis-Pflanzen, welche die Funktion des CPK28 Proteins verloren hatten. Diese Pflanzen waren nach dem Übergang von der vegetativen in die reproduktive Phase in ihrem Wachstum gestört. „Bevor die CPK28-Mutante Blüten zur Vermehrung ausbildet, ist sie von Wildtyppflanzen nicht zu unterscheiden“, so Susanne Matschi, Doktorandin bei Prof. Dr. Tina Romeis, Dahlem Centre of Plant Sciences, am Institut für Biologie der Freien Universität Berlin.

Verkürzte Stängel

Beim Übergang in die reproduktive Phase bilden CPK28-Mutanten deformierte Blätter und extrem verkürzte Stängel mit Anomalien im Leitgewebe aus. In Querschnitten an der Sprossbasis kann im Vergleich zu Wildtyppflanzen eine stark erhöhte Verholzung einzelner Gewebetypen und mehr Dickenwachstum festgestellt werden. Neben dem Längenwachstum ist für Pflanzen auch das Dickenwachstum von entscheidender Bedeutung. Zum einen bietet ein großer Sprossachsenumfang größere Stabilität, zum anderen kann so eine erhöhte Transportkapazität ermöglicht werden.

Weniger Wachstumshormone führen zu Zwergpflanzen

„CPK28-Mutanten zeigen nicht nur ein verstärktes, sekundäres Dickenwachstum, sie können außerdem ihren Spross nicht elongieren (verlängern)“, erklärt Frau Matschi.

Auch auf Genexpressionsebene lassen sich zu diesem Zeitpunkt deutliche Unterschiede zu Wildtyppflanzen nachweisen. So ist beispielsweise die Hormonproduktion in CPK28-Mutanten zum Zeitpunkt der Blüte verändert. Gibberellinsäure ist ein pflanzliches Wachstumshormon, das an Elongationsprozessen beteiligt ist. Die Wissenschaftlergruppe konnte nachweisen, dass Pflanzenlinien, welche im CPK28-Gen mutiert sind, spezifisch im reproduktiven Stadium weniger Gibberellinsäure als Wildtyppflanzen produzieren. „Pflanzen, denen dieses Hormon fehlt, sind Zwergpflanzen“, erklärt Matschi die molekularen Zusammenhänge ihrer Beobachtungen. Dass der sekundäre Botenstoff Calcium mittels Signalweiterleitung über CPKs neben schnellen Signalübertragungen in der Pflanze als Reaktion auf Umweltveränderungen über Hormone auch langfristige Entwicklungsprozesse in der Pflanze steuert, war bisher nicht bekannt.

Gezielte Veränderung der Pflanzenarchitektur

In der 34-köpfigen Familie der CPKs in Arabidopsis hat CPK28 keine verwandten Proteine, die ihre Funktion ersetzen könnten. Das zeigten Matschis Versuche mit CPK28-Mutanten: „Wenn die Funktion von CPK28 durch andere Proteine in der Pflanze ersetzbar wäre, würden wir beim Ausschalten von CPK28 keinen veränderten Phänotyp beobachten“, erklärt sie. So könnte CPK28 ein möglicher Parameter sein, um das Dickenwachstum von Pflanzen und ihren Wurzeln zu modifizieren oder deren Übergang in die reproduktive Wachstumsphase zu verzögern. Dies könnte beispielsweise in der Holz- oder Rübenproduktion von Interesse sein.
Quelle:
Matschi S., et al. (2012): Function of calcium-dependent protein kinase CPK28 of Arabidopsis thaliana in plant stem elongation and vascular development. In: Plant J., 17. Dezember 2012, doi:10.1111/tpj.12090.