Wissenschaftler erforschen die Bedeutung zweiporiger Kanäle in Pflanzen

Zweiporige Kanäle (TPCs) sind alte Ionenkanäle, die in den Zellen von Tieren und Pflanzen vorhanden sind. Bei Tieren, einschließlich Menschen, spielen diese Ionenkanäle eine wichtige Rolle bei biologischen Aktivitäten in verschiedenen Geweben, wie etwa im Gehirn und Nervensystem. Alle Landpflanzenarten enthalten TPC-Gene; In vielen höheren Gefäßpflanzen wie Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) und Oryza sativa (Reis) ist ein einzelnes TPC-Gen an der Aktivität langsamer vakuolärer (SV) Kanäle (spannungsabhängiger Kationenkanäle) zusammen mit Fernsignalisierung und Abwehr beteiligt , und Reaktionen auf Umweltstress. Über die Funktion von TPC-Proteinen in nicht blühenden Moosen und Leberblümchen – einigen der ältesten Organismen der Erde – ist jedoch sehr wenig bekannt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Kazuyuki Kuchitsu von der Tokyo University of Science, Japan, mit Forschern der Maria Curie-Sklodowska-Universität, Polen, zusammengearbeitet, um die evolutionäre und physiologische Bedeutung von zweiporigen Kanälen im Non zu untersuchen – blühende Moospflanze Marchantia polymorpha. Ihr weithin anerkannter und geschätzter Artikel, der diese Studie ausführlich erörtert, wurde erstmals im Dezember 2021 online und anschließend in der Februarausgabe in gedruckt Pflanzen- und Zellphysiologie. Der Artikel wurde auch als „Editor’s Choice“ und „Research Highlight“-Artikel für die Zeitschrift ausgewählt, die einen Kommentar zur Studie veröffentlicht hat. Die Finanzierung für diese Forschung wurde durch ein Stipendium der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft und des Nationalen Wissenschaftszentrums, Polen, erhalten.

M. polymorpha oder gewöhnliches Leberblümchen wächst als dünne, flache grüne Blätter auf feuchtem Boden oder Felsen und ist ein Überrest, der von einer der frühesten Pflanzen abstammt, die Land besiedeln. M. polymorpha ist ein einfacher Modellorganismus, der verwendet wurde, um die gemeinsamen Merkmale von Landpflanzen zu analysieren. „Wir stellten fest, dass das Genom von M. polymorpha drei TPC-Homologe aufweist: MpTPC1, 2 und 3, die zu zwei unterschiedlichen Gruppen gehören, Typ-1- und Typ-2-TPC-Genen. Wir wollten wissen, was diese beiden Untergruppen von TPC-Proteinen in M. polymorpha bewirken“, erklärt Prof. Kuchitsu.

Dazu führten die Forscher zunächst eine phylogenetische Analyse der TPC-Gene in der grünen Pflanzenlinie durch. Dann charakterisierten sie die drei TPC-Proteine: MpTPC1 aus dem Typ-1-TPC-Gen und MpTPC2 und MpTPC3 aus dem Typ-2-TPC-Gen. Sie markierten diese Proteine ​​mit einem fluoreszierenden Marker und untersuchten ihre Lokalisierung in M. polymorpha-Zellen. Durch CRISPR-Cas9-Genom-Editierung entwickelten die Forscher mutierte Pflanzen, die keine funktionellen TPC1-, TPC2- oder TPC3-Gene enthielten, und doppelt mutierte Pflanzen, denen Funktionen sowohl der TPC2- als auch der TPC3-Gene fehlten. Dann maßen sie durch elektrophysiologische Patch-Clamp-Analysen die Ionenströme in isolierten Vakuolen aus den lebenden Zellen von M. polymorpha-Pflanzen.

Die Ergebnisse der phylogenetischen Analysen lieferten einige faszinierende Einblicke in die Evolutionsgeschichte von M. polymorpha. „Im Gegensatz zum Typ-1-TPC-Gen, das in allen Landpflanzen gut konserviert ist, wurden Typ-2-TPCs in Algenarten gefunden. Dies deutet darauf hin, dass die Typ-2-TPCs zwar auftauchten, bevor Pflanzen das Land kolonisierten, aber nicht in das Genom gelangten.“ von höheren Gefäßpflanzen und Hornkraut“, sagt uns Prof. Kuchitsu.

Die Forscher fanden auch heraus, dass die drei TPC-Proteine ​​hauptsächlich an der vakuolären Membran von M. polymorpha lokalisiert waren. Die Mutante, der ein funktionelles TPC1-Gen fehlte, zeigte keine SV-Kanalaktivität. Aber Mutanten, denen entweder funktionelles TPC2, TPC3 oder beide fehlten, zeigten die übliche SV-Kanalaktivität. Moleküle wie Phosphatidylinositol-3,5-bisphosphat und Nikotinsäureadenindinukleotidphosphat, die die TPCs von Säugetierzellen aktivieren, konnten die Ionenkanalaktivität in isolierten Vakuolen der mutierten Pflanzen nicht beeinflussen. Prof. Kuchitsu vermutet: „Diese Beobachtungen deuten, wenn sie miteinander verknüpft sind, darauf hin, dass die Typ-1-TPCs – die in allen Landpflanzenarten allgegenwärtig sind – für SV-Kanäle in ihrer Vakuolenmembran verantwortlich sind, aber die Typ-2-TPCs codieren wahrscheinlich Ionenkanäle dafür unterscheiden sich vom SV-Kanal und Tier-TPCs.“

Die Ergebnisse des Teams liefern dringend benötigte funktionelle und evolutionäre Einblicke in die wichtige, aber schwer fassbare TPC-Familie in Pflanzen und in pflanzliche Ionenkanäle im Allgemeinen. Mit Blick auf die zukünftige Forschung wollen sie auch Erkenntnisse aus der Evolutionsgeschichte der Pflanzen nutzen, um das Pflanzenwachstum und die Abwehrmechanismen gegen biotischen und abiotischen Stress zu verbessern. Davon könnten unter anderem Branchen wie die Landwirtschaft profitieren.