Dynamik der Aquaporine und des Wassertransports im elongierenden Hypokotyl von Ricinus communis L. Keimlingen

Titelangaben

Eisenbarth, Daniel Augustinus:
Dynamik der Aquaporine und des Wassertransports im elongierenden Hypokotyl von Ricinus communis L. Keimlingen.
Bayreuth , 2004
( Dissertation, 2004 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Seit den wegweisenden Arbeiten von Peter Agre war bekannt, dass Gene aus der Familie der major intrinsic proteins für funktionelle Aquaporine codieren. Auch in Pflanzen stellen diese Wasserkanäle die molekulare Grundlage für hohe Wasserleitfähigkeiten von Membranen dar. Weiterhin zeigte sich eine Korrelation von hoher zellulärer Wasserleitfähigkeit und einer starken Expression verschiedener MIP in jungen, wachsenden Geweben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher auf der Frage, welche physiologische Rolle Aquaporine bei der Regulation des Steckungswachstums pflanzlicher Gewebe spielen. Als Modellorgan diente dabei das Hypopkotyl des Keimlings von Ricinus communis. Es vollführt im Dunkeln ein starkes Elongationswachstum, welches einerseits unter dem Einfluss eines endogenen Entwicklungsprogramms steht, andererseits als Teilaspekt der Photomorphogenese durch Licht inhibiert wird. Von insgesamt zehn bekannten Ricinus-MIP wurden RcPIP1-1, RcPIP2-1 und RcTIP1-1 kloniert, da sie gerade im Hypokotyl dominant exprimiert sind. RcPIP2-1 und RcTIP1-1 konnten erfolgreich heterolog in Hefe exprimiert, und durch stopped-flow Spektroskopie auch als Aquaporine charakterisiert werden. Die Expression von RcPIP2-1 zeigt eine deutliche Korrelation mit der Elongationsaktivität des Gewebes entlang der Hypokotylachse sowie mit der Inhibition des Streckungswachstums durch Belichtung. Strukturelle Eigenschaften des RcPIP2-1 deuten auf eine posttranslationale Regulation hin, welche speziell bei der Beendigung der Elongation innerhalb des endogenen Entwicklungsprogramms von Bedeutung zu sein scheint. Innerhalb der Elongationszone ist RcPIP2-1 stark in den kleinen Zellen des Xylemparenchyms exprimiert, wo es möglicherweise eine hohe Barriere für radial fließendes 'Wachstumswasser' reduziert. Darüber hinaus zeigt sich während der Elongation eine transient erhöhte Expression von RcPIP2-1 in der Kortexperipherie. Gerade in Zellen dieses Gewebes ergaben Messungen mit der Zelldrucksonde stark erhöhte Wasserleitfähigkeiten, verglichen mit Zellen aus nicht-elongierenden Hypokotylzonen. Durch eine Modellierung radialer Gradienten des Wasserpotentials konnte gezeigt werden, dass die hydraulische Leitfähigkeit von Zellen im Gewebeverband das Streckungswachstum des Ricinus-Hypopkotyls grundsätzlich limitieren kann. Auch die Expression des RcSCR1 korreliert mit der Elongation und damit der Stärke des sink entlang des Hypokotyls. Dieser potentiell Phloem-beladende Saccharosetransporter ist in den Geweben nicht exprimiert, die aufgrund starker Wachstums- und Teilungsaktivität auf die Versorgung mit energiereichen Assimilaten angewiesen sind. Erst wenn mit Beendigung des Streckungswachstums die sink-Stärke reduziert wird, tritt eine Induktion des RcSCR1 auf. Aus diesen Befunden wird evident, dass die Regulation des Streckungswachstums von Ricinus-Keimlingen über eine Veränderung der zellulären Wasserleitfähigkeit erfolgen kann und, dass RcPIP2-1 eine molekulare Komponente dieses Regulationsmechanismus ist. Darüber hinaus scheint RcSCR1 in den Ablauf des Streckungswachstums involviert zu sein, indem er die Verfügbarkeit osmotisch aktiver Substanzen bzw. energiereicher Assimilate kontrolliert.

Abstract in weiterer Sprache

Since the trailblazing work of Peter Agre, the genes from the family of major intrinsic proteins where known to encode functional aquaporins. In plants, aquaporins are also believed to build the molecular basis for high water conductivities of membranes. Furthermore, correlations of a high cellular water conductivity and a strong expression of different MIP showed up in young, growing tissues. Therefore the emphasis of this work was to find out which physiological role aquaporins may play during regulation of elongation growth of plant tissues. Thereby the hypocotyl of seedlings from Ricinus communis L. served as a model organ. In darkness this organ exhibits strong elongation growth, which is controlled by an endogenous developmental program. Upon illumination elongation growth is inhibited as an aspect of photomorphogenesis. Out of ten known Ricinus­-MIP, RcPIP1-1, RcPIP2-1 and RcTIP1-1 were investigated in detail, because of showing dominant expression straight in the hypocotyl. RcPIP2-1 and RcTIP1-1 were successfully expressed in yeast and characterised as aquaporins by stopped-flow spectroscopy. The expression of RcPIP2-1 was strongly correlated with elongation activity along the hypocotyl axis and the inhibition of elongation by light exposure. Structural characteristics pointed to posttranslational regulation of RcPIP2-1, which seems to be especially important at the end of elongation process within the endogenous developmental program. Inside the elongation zone RcPIP2-1 is strongly expressed in small cells of the xylem parenchyma, where it possibly reduces a hydraulic barrier for growth-dependent radial water flow. Beyond that RcPIP2-1 shows a transiently increased expression in the cortex periphery of the elongationzone. Right in cells of this tissue, pressure probe measurements showed strongly increased hydraulic conductivities compared to cells from non-elongating hypocotyl zones. By modelling radial gradients of water potential it was predicted, that hydraulic conductivities of cells within a complex tissue can limit extension growth of the Ricinus hypocotyl. Beneath that, the expression of the RcSCR1 correlates inversely with elongation and thus with sink strength along the hypocotyl axis. RcSCR1, a putative phloem loading sugar carrier, is absent from those tissues, which are dependent on supply of energy rich assimilates due to strong extension growth and cell division activity. RcSCR1 is induced, when sink strength is reduced as the consequence of completion of elongation growth. These findings demonstrate, that regulation of elongation growth in Ricinus seedlings can be done by a change of cellular water conductivity. RcPIP2-1 is possibly a molecular compound of this regulatory mechanism. Beyond that RcSCR1 seems to be involved into the expiration of elongation growth, by controlling the availability of solutes and/or energy rich assimilates.