ERC Synergy Grant

Kommunikationsprozesse zwischen Pflanzenzellen erforschen

Mit mehr als zehn Millionen Euro soll nun in den nächsten sechs Jahren das Projekt „SymPore – Plasmodesmata as Symplasmic Pores for Plant Cell-to-Cell Communication“ umgesetzt werden. Ziel des Synergy-Projekts ist die Aufklärung von Struktur und Funktion der bisher wenig verstandenen Zell-Zell-Verbindungen von Pflanzen, den sogenannten Plasmodesmata.

Prof. Dr. Waltraud Schulze wird gemeinsam mit Prof. Dr. Wolf B. Frommer und Prof. Dr. Rüdiger Simon von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und Prof. Dr. Wolfgang Baumeister, Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried, vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) gefördert.

Gemeinsam mit Kollegen von der Heinrich-Heine-Uni Düsseldorf (HHU) und vom Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried möchte Prof. Dr. Waltraud Schulze (Bild) von der Uni Hohenheim Struktur, Funktion und Dynamik von Plasmodesmata enträtseln. © Jan Winkler / Universität Hohenheim

In einem Organismus, der aus vielen differenzierten Zellen aufgebaut ist, die jeweils unterschiedliche Aufgaben erledigen, müssen Zellen miteinander kommunizieren und Stoffe austauschen. Nur so können sie ihre Aufgaben zum Nutzen des Gesamtorganismus untereinander abstimmen. Bei Tieren geschieht dies teilweise über Proteinkomplexe, die Zell-verbindende selektive Kanäle ausbilden, sogenannte Gap Junctions. Dagegen sind Plasmodesmata wesentlich komplexer: „Plasmodesmata spielen eine wichtige Rolle, wenn photosynthetische Produkte vom Blatt aus in der Pflanze verteilt werden, und sie sind essenziell bei der Steuerung von Entwicklungsprozessen, wie Blütenbildung oder der Entstehung von Wurzelhaaren“, erklärt Prof. Dr. Schulze. „Somit ist das Verständnis über die Funktionsweise von Plasmodesmata ein besonders wichtiger Baustein, wenn wir verstehen wollen wie Ertrag entsteht oder wie die Pflanze Entwicklungssignale und Information aus der Umwelt integriert.“ Auch Pflanzenviren nutzen Plasmodesmata, um sich von einer Zelle in die nächste zu verbreiten.

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Doch wie das alles genau geschieht ist bisher unbekannt. Dies liegt nicht zuletzt daran, dass Plasmodesmata auf der einen Seite selbst für moderne Mikroskopieverfahren zu klein sind, gleichzeitig zu groß und zu komplex für die übliche Strukturaufklärung. Sie haben einen Durchmesser zwischen 50 und 160 Nanometern und sind damit kleiner als die Auflösungsgrenze optischer Mikroskope. Auch herkömmliche Elektronenmikroskope können diese hochkomplexen Strukturen nur unzureichend abbilden.

Vier Forschungsteams arbeiten im Projekt zusammen
Um diese faszinierenden Strukturen zu verstehen haben sich die vier Arbeitsgruppen unter dem Namen SymPore („Plasmodesmata as Symplasmic Pores for Plant Cell-to-Cell Communication“) zusammengeschlossen und werden unter Kombination unterschiedlichster modernster Methoden in den kommenden sechs Jahren in enger Zusammenarbeit die Struktur, den Aufbau und die Funktionsweise der Plasmodesmata entschlüsseln. Hier möchte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Waltraud Schulze von der Universität Hohenheim die „Bauteile“ der Plasmodesmata identifizieren. Dazu gehören neben Proteinen auch Lipide. Die genauen Komponenten, aus denen die Plasmodesmata bestehen, sind weitgehend unbekannt. „Um die Struktur und Funktion der Plasmodesmata zu verstehen, ist es also erst einmal wichtig zu wissen, was für Proteine und Lipide überhaupt beteiligt sind und wie sie miteinander interagieren“, so Prof. Dr. Schulze. Die Vorarbeiten dazu hat die Auszeichnung der Wissenschaftlerin mit dem Forschungspreis „Freiräume für die Forschung“ der Gips-Schüle Stiftung im Jahr 2018 ermöglicht. „Der Gips-Schüle Forschungspreis hat mir die nötige Flexibilität gegeben, ein neues Forschungsfeld zu eröffnen und die nötigen Vorarbeiten zu leisten“, betont Prof. Dr. Schulze.

An der HHU konzentrieren sich die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Simon auf die Erstellung einer Blaupause: wo sind die Bestandteile der Plasmodesmata räumlich und zeitlich lokalisiert. Prof. Dr. Frommer, der Sprecher der Gruppe, entwickelt mit Hilfe ausgeklügelter Biosensortechnologie neue Methoden, um die Funktion der Plasmodesmata in lebenden Pflanzen sichtbar zu machen. Prof. Dr. Baumeister und seine Mitarbeiter vom MPIB in Martinsried sind weltweit führend in der Aufklärung komplexer Strukturen mit höchster Auflösung – bis hinunter zu einzelnen Molekülen – durch Kryoelektronentomographie. Neueste Verfahren, die von Prof. Dr. Baumeister am MPIB entwickelt wurden, sollen hier nun zu einem strukturellen Gesamtbild der Plasmodesmata verhelfen. Das Team ist sich einig: „Nur gemeinsam kann es uns gelingen ein Gesamtbild der Struktur und Funktion von Plasmodesmata zu erarbeiten. Diese Zusammenarbeit wird uns nun durch den Europäischen Forschungsrat mit einem Synergy-Grant ermöglicht!“

Quelle: Universität Hohenheim

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