Die Evolution gametophytischer Kommunikationssysteme am Beispiel von RALF und ROS Signalvermittlung

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Dresselhaus
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431732981

Die Evolution der Fortpflanzungsorgane und Gameten von Landpflanzen wurde von zahlreichen Veränderungen und Anpassungen der gametischen/gametophytischen Kommunikationssysteme begleitet. Während Gameten einzelliger Algen wie Chlamydomonas in einer wässrigen Umgebung kommunizieren, bildeten Moose und Farne bewegliche Spermazellen, die von Eizellen in einer feuchten Umgebung angelockt werden. Anpassungen an trockene Standorte erfolgten bei Gymnospermen und Blütenpflanzen, die mit dem Verlust der Spermazellmobilität und der Erfindung von Pollenkörnern (männlicher Gametophyt) einhergeht. Diese beschützen und transportieren Spermazellen durch Wind und Tiere über große Entfernungen zu den weiblichen Blütenorganen. Anschließend wird ein Pollenschlauch ausgebildet, der tief in die weiblichen Blütenorgane einwächst und seine Spermazell-Ladung zur Befruchtung in den Embryosack (weiblicher Gametophyt) entlässt. Die Komplexität von direkter Kommunikation zwischen Gameten einzelliger Algen zur Kommunikation zwischen Gametophyten und weiblichen Blütengeweben bei Blütenpflanzen hat während der Evolution von Landpflanzen enorm zugenommen. Anhand der Modellpflanzen Arabidopsis und Mais wurden in den vergangenen 15 Jahren enorme Fortschritte erzielt diese Kommunikationssysteme zu verstehen. Insbesondere sekretierte polymorphe Cystein-reiche Peptide (CRPs) scheinen hierbei eine zentrale Rolle bei der Pollen-Keimung, -Wachstum, -Anlockung und -Freisetzung zu spielen. Zu diesen gehören Pollenschlauch-spezifische RALF (Rapid ALkalinization Factor) Peptide. In Arabidopsis wurde kürzlich gezeigt, dass diese die Pollenschlauch-Integrität und Spermazell-Freisetzung regulieren. Während einzellige Algen keine RALF Gene besitzen, kommen drei ursprüngliche Gene bei Moosen vor und diese Genanzahl wurde in Blütenpflanzen vervielfacht. So besitzt Arabidopsis beispielsweise 37 Gene. Bisher wurden nur RALF Gene, die mit den ursprünglichen Genen verwandt sind, in Blütenpflanzen funktionell charakterisiert. Hierbei wurde gezeigt, dass sie ROS-Bildung aktivieren.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher zum Verständnis über die Evolution gametophytischer Kommunikationssyteme beizutragen, indem zwei Gen-Familien und deren Interaktionen untersucht werden. (i) Wir wollen die Evolution und Diversifizierung von Mitgliedern der RALF Genfamilie untersuchen und hierbei Funktionsstudien der ursprünglichen RALF Gene in einem Moos und einer neuen Untergruppe in Mais durchführen. Pollenmutanten aus Arabidopsis und Mais sollen hierbei mit RALF aus unterschiedlichen Gruppen und Pflanzenarten komplementiert werden. Interaktionsstudien werden mit bereits bekannten Rezeptoren durchgeführt. (ii) Es soll darüber hinaus die durch RALF-vermittelte ROS-Produktion in Moosen und Blütenpflanzen untersucht werden, und (iii) die ROS-Bildung durch RBOHs in Papillenzellen von Mais nach Pollenadhäsion.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5098: Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen - ICIPS