Kalzium-Ionen kodieren Informationen

Wenn Pflanzen durch äußere Umwelteinflüsse gestresst sind, passen sie sich den veränderten Bedingungen an. Um die Informationen für die Veränderung an ihre Zellkerne zu leiten, nutzen sie Kalzium-Ionen.

Biologen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg um Privatdozent Dr. Wolfgang Frank und Prof. Dr. Ralf Reski entdeckten ein Protein, das an der schnellen Weiterleitung der Informationen an den Zellkern beteiligt ist. Ihre Erkenntnisse wurden in der aktuellen Online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS)“ veröffentlicht.

Der globale Klimawandel führt zu immer größeren Wetterextremen wie Stürmen, Überflutungen, Hitze und Trockenheit. Gleichzeitig führt die intensive Landwirtschaft zu einer Versalzung der Ackerböden. Diese Extreme bedeuten für uns alle abiotischen Stress. Pflanzen sind hiervon besonders betroffen, weil sie vor extremen Wetterbedingungen nicht davonlaufen können. Deshalb haben sie im Laufe ihrer Evolution Mechanismen entwickelt, um sich vor solchen Stressbedingungen zu schützen. Um diese Schutzmechanismen aktivieren zu können, müssen Pflanzen beispielsweise erhöhte Salzkonzentrationen im Boden bemerken und diese Information über eine schnelle Signalleitung an ihre Zellkerne, die Horte ihrer genetischen Information, melden. Seit einiger Zeit ist bekannt, dass bei vielen Reizleitungen sowohl im Pflanzen- als auch im Tierreich Kalzium-Ionen eine wichtige Funktion erfüllen. Dabei kommt es innerhalb der Zellen zu sehr schnellen Veränderungen der Konzentration dieser Kalzium-Ionen. Diese rhythmischen Veränderungen bilden bestimmte Muster aus, die die Information kodieren.

Die Biologen der Universität Freiburg berichten zusammen mit britischen Forschern in der aktuellen Online-Ausgabe der PNAS von der Entdeckung eines Proteins, einer sogenannten Ca2+-ATPase, aus dem Kleinen Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens), das zentral an dieser schnellen Signalleitung beteiligt ist. Der Originaltitel der Veröffentlichung lautet „A PIIB-type Ca2+-ATPase is essential for stress adaptation in Physcomitrella patens“. Neben PD Dr. Wolfgang Frank und Prof. Dr. Ralf Reski arbeiteten Enas Qudeimat, Dr. Alexander M.C. Faltusz, Dr. Glen Wheeler, Daniel Lang und Prof. Colin Bronwlee an dem Projekt mit.

Nach einem sogenannten „Spike“ pumpt das Protein Ca2+-ATPase überschüssige Kalzium-Ionen aus dem Zytoplasma in die als „Vorratsbehälter“ in den Mooszellen fungierenden kleinen Vakuolen. Diese Zellorganellen unterscheiden sich von der lang bekannten Zentralvakuole und wurden erst vor kurzem entdeckt. Ihre Funktion innerhalb der Pflanzenzelle war zunächst nicht bekannt. Somit ist die neu entdeckte pflanzliche Kalzium-ATPase zentral an der Ausbildung des Kalziummusters in der Zelle beteiligt. Moose, in denen die Freiburger Biologen dieses Protein gezielt ausgeschaltet hatten, konnten auf erhöhten Salzkonzentrationen nicht überleben.

Die Forscher der Universität Freiburg hoffen nun, dass sich das neue Wissen auf Nutzpflanzen übertragen lässt, um sie so widerstandsfähiger gegenüber versalzten Böden zu machen. Versalzte Böden sind besonders in Entwicklungsländern ein großes Problem.

Gefördert wurden die Arbeiten der Freiburger Biologen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über die Freiburger Initiative für Systembiologie (FRISYS) sowie der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern über das Zentrum für Biologische Signalstudien (bioss). Die Erstautorin der Veröffentlichung, Enas Qudeimat, ist eine Stipendiatin des Deutschen Akademischen Auslandsdienstes (DAAD).

Kontakt:
Prof. Dr. Ralf Reski
PD Dr. Wolfgang Frank
Fakultät für Biologie
Lehrstuhl Pflanzenbiotechnologie
Tel.: 0761/203-6968
Fax: 0761/203-6967
E-Mail: pbt@biologie.uni-freiburg.de