Laut einer Studie gedeihen Saubohnen trotz eines hyperaktiven Ionenkanals

Pflanzen, bei denen ein Ionenkanal der Vakuole überaktiv ist, sind extrem gestresst und wachsen schlecht. Doch die Saubohne ist eine Ausnahme, wie Würzburger Forscher herausgefunden haben. Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch eLife.

Wie der menschliche Körper nutzen auch Pflanzen elektrische Signale zur Verarbeitung und Weitergabe von Informationen. Neben der Zellmembran spielt dabei die Membran der Zentralvakuole eine wichtige Rolle. Vakuolen sind typisch für Pflanzenzellen. Dabei handelt es sich um mit Flüssigkeit gefüllte Blasen, die als Reservoir für Mineralien und Abfallprodukte dienen und bis zu 90 % des Zellvolumens aufnehmen können.

Pflanzen speichern in diesem Reservoir auch Kalziumionen. Diese wiederum halten das elektrische Schaltzentrum der Vakuole in Schach, den spannungsabhängigen Ionenkanal TPC1. Professor Rainer Hedrich, Leiter des Lehrstuhls für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, entdeckte diesen Ionenkanal 1987 während seiner Postdoktorandenzeit bei Nobelpreisträger Erwin Neher mit der Patch-Clamp-Technik.

Blockierung des Kanals durch Bindung von Kalzium

Jahrelange intensive Forschung hat gezeigt, dass Pflanzen, die eine hyperaktive Mutante des Ionenkanals tragen, stark gestresst sind und daher weniger gut wachsen. Daher ist es für Pflanzen wichtig, die Aktivität des Kanals richtig zu regulieren. Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die Modellpflanze der Genetik, überzieht die Kanalaktivität mit vakuolären Kalziumionen: Diese binden an den Kanal und erschweren so dessen Öffnung.

Im letzten Jahrzehnt haben Pflanzenforscher der JMU einen wesentlichen Beitrag zur molekularen Entschlüsselung der Calcium-Bindungsstellen des TPC1-Kanals von Arabidopsis geleistet. In ihrer neuesten Veröffentlichung in der Zeitschrift eLifeSie beschäftigen sich nun mit der Frage, ob es pflanzenartenspezifische Variationen im TPC1-Gen gibt und wie sich diese Veränderungen auf die Funktion des Kanals und damit auf die elektrische Erregbarkeit der Vakuole auswirken.

Saubohne hat eine hyperaktive Kanalvariante

„Dank globaler Sequenzierungsprogramme haben wir Einblick in die Genome von immer mehr Wild- und Kulturpflanzen“, sagt JMU-Professorin Irene Marten. „Zum ersten Mal konnten wir artspezifische Abweichungen in der Kalziumbindungsstelle des TPC1-Kanals identifizieren.“

Bei der Suche nach Varianten erregten Vertreter der Hülsenfruchtfamilie, beispielsweise die landwirtschaftlich genutzte Saubohne (Vicia faba), das größte Interesse. In Patch-Clamp-Studien hat Dr. Jinping Lu, der Erstautor der eLife Eine Studie konnte belegen, dass der TPC1-Kanal in der Ackerbohne deutlich aktiver und daher offener ist als in der Ackerschmalwand. Die Hyperaktivität des Saubohnenkanals löst wiederum eine elektrische Übererregbarkeit in den Vakuolen aus.

„Um der molekularen Ursache des Hyperaktivitätssyndroms auf die Spur zu kommen, haben wir Bereiche aus der Pore des Saubohnenkanals in den Arabidopsis-Kanal transplantiert“, erklärt Marten den experimentellen Ansatz. Diese Idee war erfolgreich – die Kanalchimäre von Arabidopsis und Saubohne war ähnlich hyperaktiv wie der Spenderkanal der Saubohne. „Dadurch konnten wir die Hyperaktivität des Saubohnenkanals auf die Unempfindlichkeit der Pore gegenüber hemmenden Kalziumionen zurückführen“, sagt Hedrich.

Strukturbiologen haben den Grund für Hyperaktivität gefunden

Um den genauen Mechanismus zu verstehen, suchte das Würzburger Team erneut die bewährte Zusammenarbeit mit den Strukturbiologen Professor Robert M. Stroud und Dr. Sasha Dickinson von der University of California San Francisco (UCSF). Das Expertenduo erstellte umgehend ein 3D-Modell des Saubohnenkanals und verglich es mit der zuvor ermittelten Struktur des Arabidopsis-Kanals.

Es stellte sich heraus, dass in der Saubohne Aminosäurereste im vakuolären Eingangsbereich der Kanalpore vom Ionentransportweg weggefaltet sind. Dadurch können sich die Calciumionen nicht mehr binden und die Kanalöffnung unterdrücken. Dies hat jedoch keinen Einfluss darauf, welche Kationen der TPC1-Kanal durchlässt, wie die JMU-Forscher Dr. Ulrich Terpitz und Dr. Sabine Panzer vom Lehrstuhl für Biotechnologie und Biophysik zeigten.

Obwohl der TPC1-Kanal der Saubohne länger geöffnet ist, werden die Saubohnen nicht gestresst und wachsen normal. „Welche Mechanismen nutzt die Saubohne, um die Aktivität des TPC1-Kanals auf ein erträgliches Maß zu reduzieren und so Schäden zu vermeiden? Oder profitiert die Saubohne sogar von dem leichter aktivierbaren TPC1-Kanal, der gegenüber Kalzium unempfindlich ist und sich daher besser an bestimmte Gegebenheiten anpassen kann.“ Umweltbedingungen?“ Mit diesen Fragen skizziert Marten die nächsten Forschungsschritte des Teams.