Ulm, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg.

In vorausgegangenen Experimenten unseres Labors war bereits gezeigt worden, dass die Transkription des Kaliumaufnahmekanals ZMK1 durch IAA stimuliert wird und dass dieser eine wichtige Rolle für das differentielle Zellstreckungswachstum während der gravitropen Krümmung spielt. Dieser Annahme folgend wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob ZMK1 auch in phototrop stimulierten Maiskeimlingen am differentiellen Wachstum der Koleoptile beteiligt ist. Im Hinblick auf diese Fragestellung wurden folgende Erkenntnisse gewonnen: i. Auch in photostimulierten Keimlingen folgt die Transkription von ZMK1 dem endogenen IAA-Gradienten. Vor allem in der Koleoptilenspitze, wo die Umverteilung der freien IAA in die unbelichtete Flanke stattfindet, wurde der größte ZMK1-mRNA Gradient gemessen. ii. Der Krümmungswinkel photostimulierter Koleoptilen war erheblich kleiner als der ebenso lange gravitrop gereizter Keimlinge. Pflanzen, die auf einem Klinostaten einseitig mit Blaulicht bestrahlt worden waren, zeigten jedoch eine ähnlich starke Krümmung wie gravistimulierte Pflanzen. Der Einfluss der Schwerkraft verhinderte demzufolge eine stärkere Krümmung photostimulierter Koleoptilen. iii. Die ausgeprägtere Krümmungsreaktion von auf dem Klinostaten photostimulierten Maiskeimlingen war mit einer drastischen Auxinverschiebung in der Koleoptilenspitze und einer länger anhaltenden differentiellen Expression von ZMK1 verbunden. Die Wachstumsantwort der Keimlinge konnte daher direkt mit der Verteilung freier IAA und der daraus resultierenden Regulation von ZMK1 korreliert werden. iv. Die Wahrnehmung zweier verschiedener Reize (Schwerkraft, Blaulicht) mündet in einen gemeinsamen Signalweg, welcher zur Umverteilung endogenen Auxins innerhalb der Koleoptile und zur differentiellen Kaliumaufnahme über ZMK1 in den gegenüberliegenden Flanken führt. Die hierdurch bedingte stärker ausgeprägte Zellstreckung in der unbelichteten Koleoptilenhälfte hat schließlich die Krümmung des Keimlings zur Folge. Mit dem Ziel, auch den ZMK1-orthologen Kaliumkanal in einer der wichtigsten Nutzpflanzen, Reis, zu charakterisieren, wurden molekularbiologische und biophysikalische Analysen durchgeführt. Im Bezug auf die verfolgten Ziele dieser Arbeit lassen sich die gewonnenen Ergebnisse wie folgt zusammenfassen: v. Aus Oryza sativa-Keimlingsgewebe konnte das cDNA-Molekül OsAKT1 isoliert und anhand der abgeleiteten Aminosäuresequenz der AKT1-Unterfamilie des Shaker- Typs pflanzlicher Kaliumkanäle zugeordnet werden. vi. Die Transkripte von OsAKT1 wurden in Koleoptile und Wurzel 5 Tage alter Reiskeimlinge lokalisiert. Im Gegensatz zur Expression des AKT1-orthologen Kanals in Mais ZMK1 blieb die Transkription von OsAKT1 durch die Erhöhung exogenen Auxins in Koleoptilsegmenten unbeeinflusst. Demzufolge ist es unwahrscheinlich, dass OsAKT1 ähnlich wie ZMK1 eine wichtige Rolle während des auxininduzierten Streckungswachstums spielt. vii. Nach heterologer Expression in HEK293-Zellen wurde OsAKT1 als spannungsabhängiger, kaliumselektiver Einwärtsgleichrichter charakterisiert, der durch Ca2+ und Cs+ geblockt und durch extrazelluläre Protonen aktiviert wird. Ähnliche Eigenschaften konnten in Protoplasten beobachtet werden, die aus Keimlingswurzeln isoliert worden waren. Diese Ergebnisse legten den Schluss nahe, dass OsAKT1 der dominante Kaliumaufnahmekanal in Reiswurzeln ist. Keimlinge des verwendeten Reiskultivars waren in Reaktion auf Salzstress im Vergleich zu Kontrollpflanzen erheblich im Wachstum verzögert und wiesen einen geringeren Kaliumgehalt auf. Dieser Phänotyp wurde von einer Abnahme der OsAKT1-Transkripte und der Verringerung der durch OsAKT1 getragenen Kaliumströme in Wurzelprotoplasten salzbehandelter Keimlinge begleitet. Dieser Zusammenhang deutet darauf hin, dass die OsAKT1-vermittelte Aufnahme von Kalium über die Wurzel essentiell für das pflanzliche Wachstum und die Ionenhomöostase salzgestresster Pflanzen ist. / Previous experiments from our lab had already demonstrated that the inward-rectifying K+ channel ZMK1 plays an important role for potassium uptake during cell elongation growth of gravistimulated maize coleoptiles. To investigate if this channel is involved in other auxin-regulated processes as well, the current work focused on the role of ZMK1 for phototropic bending. i. Alike with gravistimulated plants, ZMK1 expression also follows the IAA-redistribution in photostimulated maize seedlings. The gradient in ZMK1-mRNA was most pronounced in the coleoptile tip, where free IAA is translocated into the shaded coleoptile half. ii. The bending angle of photostimulated maize seedlings was much smaller than that reached after gravistimulation. Plants photostimulated on a clinostat, however, displayed a similar bending angle as seedlings responding to a gravistimulus, indicating that gravity restricts further bending of the coleoptile. iii. Stronger phototropic bending of plants illuminated on a clinostat was accompanied by dramatic translocation of free IAA in the coleoptile tip and prolonged differential expression of ZMK1. Thus, the growth response of maize seedlings could be directly correlated with IAA-redistribution in the coleoptile and the resulting differential regulation of ZMK1 transcription. iv. The perception of two different stimuli (gravity, blue light) thus merges into a common signaling pathway, leading to IAA-redistribution and differential K+ uptake in the two flanks of the coleoptile. As a consequence, enhanced cell elongation growth in one half of the organ gives rise to gravi- or phototropic bending. To investigate the role of the ZMK1-ortholog in one of the most important food crops, rice, the respective gene was isolated. Based on molecular and biophysical approaches the gene activity and the function of the gene product were analyzed. v. The cDNA of OsAKT1 was isolated from rice seedlings. Based on the derived amino acid-sequence, OsAKT1 could be grouped into the AKT1-family of plant Shaker-K+-channels. vi. Transcripts of OsAKT1 were localized in root and coleoptile of 5-days-old rice seedlings. In contrast to ZMK1, OsAKT1-expression was not affected by changes in IAA concentration. OsAKT1 therefore does not seem to play a major role in auxin-induced cell elongation processes. vii. Following heterologous expression in HEK293 cells, OsAKT1 was characterized as a voltage-dependent, K+-selective inward rectifier activated by extracellular protons and blocked by Ca2+ and Cs+. The K+ uptake channel measured in protoplast of root epidermal cells showed almost the same functional properties, indicating that OsAKT1 represents the dominant K+-uptake channel in rice roots. viii. Rice seedlings subjected to salt stress displayed severe growth reduction and reduced K+-concentrations both in roots and shoots. This phenotype was accompanied by decreased OsAKT1-expression and diminished K+in currents in root protoplasts. Therefore, OsAKT1-mediated K+-uptake of root cells seems to be essential for plant growth and ion homeostasis during salt stress.