Mechanochemische Grundlagen der zellulären Pflanzenarchitektur

• Antragsteller: Professor Dr. John W. C. Dunlop, Ph.D.; Dr. Arun Sampathkumar, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 367358385

Das Wachstum und die Form von Organismen, ihrer Organe und der einzelnen Zellen ist eine der zentralen Fragen in der Entwicklungsbiologie. Bildung und Erhalt der oft komplexen Zell- und Gewebearchitekturen werden bei den immobilen Pflanzenzellen durch eine robuste Maschinerie aus Sensoren und Regulatoren gesteuert. Der Prozess der Morphogenese umfasst nicht nur genetische und hormonelle Kontrolle, sondern auch die irreversible Änderung der Form der Zelle oder des Gewebes. Mechanische Einflüsse spielen dabei eine zentrale Rolle, sind aber bisher wenig erforscht. Die rigide aber zugleich auch verformbare Pflanzenzellwand ist wesentlich für das durch Turgordruck angetriebene Zellwachstum. Spezifische Anlagerung von Zellulosefibrillen an der Zellwand kontrolliert die Zellgeometrie und verstärkt diese in mechanisch besonders belasteten Regionen. Der aktive Anlagerungsprozess wird durch Mikrotubuli reguliert. Dieser dynamische Prozess beeinflusst damit die Zellform und ist fundamental für die Pflanzenmorphogenese. An multipolaren Epidermiszellen von Keimblättern konnten wir zeigen, dass mechanische Belastungen die räumliche Ausrichtung der Mikrotubuli beeinflussen. Im Rahmen des interdisziplinären Projektes soll nun der Einfluss biochemischer und mechanischer Faktoren auf die Steuerung der zellulären Pflanzenmorphogenese mit molekularen, biomechanischen und mathematischen Methoden erforscht werden. Dazu werden wir das Verhalten der Zellulose synthetisierenden Proteine und der Mikrotubuli über den Entwicklungszeitraum der Blattepidermiszellen beobachten.. Die gewonnenen Daten bilden die Basis zur Entwicklung von mathematischen Modellen zu Rückkoppelungen, verursacht durch Zell-Zell-Wechselwirkungen, mechanische Spannungen, Zellwandbiosynthese und Mikrotubuli. Diese werden mittels mikromechanischer Versuche, Analyse von Mutanten und Computermodellen überprüft. Der vorgeschlagene Ansatz sollte es uns auch ermöglichen Regulatoren der Mikrotubuli zu identifizieren, die als mechanische Sensoren agieren und für entsprechende Morphogenese der Zellen und Geweben notwendig sind. In entsprechenden Computersimulationen werden die experimentellen Ergebnisse evaluiert und Hypothesen getestet. Dazu modellieren wir die mikrotubulare Dynamik auf komplexen Oberflächen. Dieser interdisziplinäre Zugang sollte es uns erlauben die lokale Reaktion der Gewebe auf mechanisch verursachte Störungen vorherzusagen und zu Hypothesen führen, die wir in situ testen können. Die gewonnenen Einsichten bilden eine Basis für ein umfassenderes Verständnis des Einflusses von physikalischen Kräften auf die Zellulosebiosynthese, die Regulation der Mikrotubuli in Pflanzen, und schließlich der Zellmorphogenese. Auf Basis dieser Grundlagen können wir nicht nur Auswirkungen von physikalischen Einwirkungen vorhersagen, sondern es könnten auch neue Ansätzen entwickelt werden, die es uns erlauben die Morphogenese von Pflanzenzellen und konsequenterweise von ganzen Geweben zu beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen