Der Einfluss von CT2 auf die Entwicklung von Zea mays (L.)

Abstract

Heterotrimere G Proteine sind membranassoziierte Komplexe und bestehen aus den drei Untereinheiten Gα, -β and -γ. Sie unterstützen die Signaltransduktion vom extrazellulären in den intrazellulären Raum um spezifische zelluläre Reaktionen hervorzurufen. Sie sind essentiell für eine Vielzahl von Wachstums- und Entwicklungs-Prozessen von Tieren und Pflanzen. Trotz ihrer Wichtigkeit sind bisher nicht alle Funktionen von G Proteinen in Pflanzen aufgeklärt und speziell in Z. mays ist wenig über ihr Wirken abseits der Kontrolle der Stammzellpopulation bekannt. In Z. mays wurde COMPACT PLANT2 (CT2) als die kanonische Gα-Untereinheit identifiziert. Der Phänotyp von ct2-Mutanten ist pleiotrop und indiziert so eine Beeinflussung der Zellproliferation und -elongation: Die Pflanzen weisen stark vergrößerte Meristeme auf, während ihre verkürzten Internodien einen Semi-Zwergwuchs bewirken und die Blattentwicklung der Pflanzen stark beeinträchtig ist. Jedoch war bisher nicht bekannt, auf welche Weise CT2 dies beeinflusst. Daher war das Ziel dieser Dissertation die weitere Charakterisierung der Rolle von CT2 in der Z. mays-Entwicklung. Die Analysen zeigten, dass posttranslationale Modifikationen verschiedener Isoformen von CT2-YFP gewebespezifische subzelluläre Lokalisierung bewirkten. Dies deutete auf distinkte Funktionen hin. In diesem Zusammenhang wurde unter anderem die Lokalisierung von CT2 am Phragmoplasten einer sich teilenden Zelle beobachtet, was zum Anlass genommen wurde zu untersuchen, ob CT2 die Dynamik kortikaler Mikrotubuli beeinflusst. Dies konnte überraschenderweise nicht gezeigt werden. Des Weiteren wurden Evaginationen der Plasmamembran von CT2-LOF-Zellen entdeckt. Diese und veröffentlichte Daten indizierten eine Interaktion von CT2 mit Phospholipasen Dα (ZmPLDαs). Die Untersuchung der putativen Interaktion von CT2 mit ausgewählten ZmPLDαs zeigte, dass diese Proteine miteinander interagieren können und dass ZmPLDs die GTPase-Aktivität von CT2 erhöhen können. Damit stellen ZmPLDαs die ersten beschriebenen GTPase-aktivierenden Proteine (GAPs) in Z. mays dar. Ferner konnte keine Beeinflussung der Phytohormon-Signaltransduktion durch CT2 nachgewiesen werden, wohingegen die Introgression des CT2-LOF-Allels in den Mo17-Haplotyp eine Beeinflussung des Plastochrons in der Entwicklung der weiblichen Infloreszenzen durch CT2 indizierte. All diese Ergebnisse unterstrichen die Komplexität der G Protein-vermittelten Signaltransduktion.

Heterotrimeric G proteins are membrane-associated molecular switches that are composed of the three subunits Gα, -β and -γ. They support the transduction of extracellular signals to induce specific cellular responses by activating downstream effectors. As such, they are essential for a wide range of growth and developmental processes in animals as well as plants. Despite their importance, not all functions of G proteins have been elucidated in plants and, especially in Z. mays, little is known about their actions beyond stem cell population control. In Z. mays COMPACT PLANT2 (CT2) was identified as the canonical Gα-subunit. The phenotype of ct2 mutants is pleiotropic, indicating an influence of CT2 on cell proliferation and elongation: the plants exhibit enlarged meristems, while their shortened internodes result in semi-dwarfism and the plants' leaf development is severely impaired. However, it was unknown in which way CT2 affects this. Therefore, the aim of this dissertation was to further characterize the role of CT2 in Z. mays development with forward genetic methods. The analyses showed that posttranslational modifications of different isoforms of CT2-YFP caused tissue-specific subcellular localization. This indicated distinct functions. In this context, the localization of CT2 to the phragmoplast of a dividing cell was observed, which was taken as an opportunity to investigate whether CT2 affects the dynamics of cortical microtubules. Surprisingly, this could not be shown. Furthermore, evaginations of the plasma membrane of CT2-LOF cells were detected. These and published data indicated an interaction of CT2 with phospholipases Dα (ZmPLDαs). Examination of the putative interaction of CT2 with selected ZmPLDαs revealed that these proteins can interact with each other and that ZmPLDs can increase the GTPase activity of CT2. Thus, ZmPLDαs represent the first described GTPase-activating proteins (GAPs) in Z. mays. Furthermore, CT2 was not shown to affect phytohormone signal transduction, whereas introgression of the CT2-LOF allele into the Mo17 haplotype indicated that CT2 affects the plastochron in developing female inflorescences. All these results underscored the complexity of G protein-mediated signal transduction.