Zur Funktion der Auxinrezeptoren TIR1 und ABP1 in Arabidopsis thaliana (L.) HEYNH. und Zea mays L.

Abstract

Auxine besitzen eine vielfältige Wirkung auf den pflanzlichen Organismus. Die Induktion der Blütenreife, Fruchtentwicklung und Apikaldominanz und Streckungswachstum sind wichtige Funktionen dieser Hormone, die die Entwicklung einer Pflanze maßgeblich steuern. Die beiden Auxinrezeptorsysteme TIR1/AFB und ABP1 regulieren dabei über zum Teil unbekannte Signalwege die Reaktion der pflanzlichen Zelle. Insbesondere die Signalwege, die das schnelle auxininduzierte Streckungswachstum vermitteln, sind bis heute nicht geklärt. Die Auxinrezeptorrolle von TIR1 wurde 2005 durch zwei Arbeitsgruppen unabhängig voneinander aufgeklärt (Dharmasiri et al. 2005a, Kepinsky und Leyser 2005). TIR1, ein Teil des SCFTIR1-Ubiquitinligasekomplexes, induziert nach Auxinbindung direkt die Expression auxinspezifischer Gene und nimmt damit einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der Pflanze. Es wurden sehr bald 5 weitere Homologe von TIR1 (AFB1, AFB2...AFB5) entdeckt, die mit TIR1 zusammen ein System redundanter Rezeptoren bilden. Dass die durch TIR1/AFB ausgelöste Expression auxininduzierter Gene direkt für die Auslösung des Streckungswachstums verantwortlich ist, ist zwar oft behauptet, aber bisher nie gezeigt worden. Auch ABP1 hat eine entscheidende Funktion für die Entwicklung der Pflanze: der Knockout von ABP1 ist embryoletal (Chen 2001). Seit seiner Aufreinigung im Jahre 1985 (Löbler und Klämbt) wurde die Funktion dieses Proteins aber nicht aufgeklärt. Es gab seit der Entdeckung von ABP1 Hinweise, dass dieses Protein nach Auxinbindung wachstumsrelevante Prozesse an der Plasmamembran wie Hyperpolarisierung (Barbier-Brygoo et al. 1989)und Protonenefflux (Rück et al. 1993) vermittelt, Beweise für die direkte Vermittlung des Streckungswachstums gibt es hier wie im Falle von TIR1 bis heute nicht. Ebenfalls unbekannt ist, ob ABP1 einen Signalweg zur Expression von Genen vermittelt oder ob ein Crosstalk mit TIR1 stattfindet.

Das Ziel dieser Arbeit war es, durch hochauflösende Messung des Streckungswachstums von Signaltransduktionsmutanten sowie Quantifizierung der auxininduzierten Genexpression mit Hilfe der DR5rev::GFP-Reportergentechnik die Funktion von TIR1 und ABP1 aufzuklären.

Ergebnisse zu TIR/AFB: Einzelmutanten der Rezeptoren hatten keinen starken Einfluss auf die Zeitverläufe des auxininduzierten Wachstums. Auch Dreifachknockouts (tir1-1 afb2-3 afb3-4) und selbst ein Vierfachknockout (tir1-1 afb1-3 afb2-3 afb3-4) reagierten noch mit einer vollen Wachstumsantwort auf das natürliche Auxin IAA. Demgegenüber war bereits in der Dreifachmutante die über DR5rev::GFP gemessene auxininduzierte Genexpression kaum noch nachweisbar. Die in der Literatur (Dharmasiri et al. 2005b) gezeigte Resistenz dieser Mehrfachmutanten gegen das synthetische Pflanzenhormon 2,4-D wurde in der vorliegenden Arbeit ebenfalls beobachtet, hier konnte aber durch Verwendung des carrierunabhängigen 2,4-D Methylesters gezeigt werden, dass diese Resistenz lediglich auf einem gestörten Auxintransport und nicht auf einer gestörten Auxinperzeption beruht. Es wurde weiterhin eine starke Verzögerung des Streckungswachstums bei den Drei- und Vierfachknockouts beobachtet. Durch Verwendung des von der Genexpression unabhängigen Effektors Fusicoccin konnte gezeigt werden, dass diese Verzögerung nicht direkt auf der auxininduzierten Genexpression, sondern durch geringere Level vorhandener wachstumsrelevanter Proteine bedingt ist.

Ergebnisse zu ABP1: Da Knockouts von ABP1 embryoletal sind, wurde in dieser Arbeit die Wachstumsreaktion von ABP1-Überexprimiereren gemessen. Hierbei zeigte sich eine Hypersensitivität der transgenen Pflanzen im Wachstumstest, was für die direkte Vermittlung der Wachstumsreaktion durch ABP1 spricht. An Protoplasten konnte ferner gezeigt wird, dass Oligopeptide mit der C-terminalen Sequenz von ABP1, die den ABP1-Signalweg aktivieren, den auxinresponsiven DR5-Promotor nicht aktivieren konnten, und somit ABP1 vermutlich keinen direkten Einfluss auf die Expression auxininduzierter Gene hat.

Fazit: Insgesamt deuten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit darauf hin, dass die von TIR1/AFB regulierte Genexpression wichtige Bausteine der Wachstumsmaschinerie bereitstellt, aber intrazelluläres ABP1 der für die direkte Auslösung des auxininduzierten Wachstums verantwortliche Rezeptor ist. Im Falle von ABP1 konnten auch Hinweise auf den putativen Auxinbindeort von ABP1, den cis-Golgi, und die wahrscheinliche Sekretion von ABP1 in den Apoplasten gefunden werden.