Neues Fluoreszenzsensor-System: Aktivierung von CDPKs in Echtzeit sichtbar machen.
Pflanzen reagieren auf den Befall von Pathogenen, Trockenheit, Nährstoffmangel und viele weitere Herausforderungen mit einer starken Veränderung ihrer intrazellulären Kalziumkonzentrationen. Dieses frühe Stresssignal aktiviert Kalzium-abhängige Proteinkinasen (CDPKs), die durch Phosphorylierung ihrer Zielproteine Abwehrkaskaden initiieren, was zu einer schnellen Anpassung an die veränderten Umweltbedingungen führt. Dabei koordinieren CDPKs je nach Stimulus und Art des Stresses unterschiedliche Enzyme in verschiedenen Signalwegen, mit denen die Pflanze ganz gezielt auf den jeweils vorherrschenden Stress reagiert. Eine der spannendsten Fragen auf diesem Gebiet ist, durch welche molekularen Mechanismen die Mitglieder der CDPK-Familie differenziert aktiviert werden, sodass sie diese stressspezifischen Signalkaskaden in Gang setzen können. Ebenso interessant ist die Frage nach der Inaktivierung der Enzyme, nachdem das Problem behoben oder der Stress abgeebbt ist.
IPB-Wissenschaftler/innen haben jüngst mit Partnern aus Deutschland und Amerika diese Themen näher beleuchtet. Erste Voraussetzung für die Kinase-Aktivität der CDPK ist eine durch die Bindung von Kalzium (Ca2+) hervorgerufene Konformationsänderung des Enzyms. In ihrer Studie haben die Wissenschaftler einen fluoreszenzbasierten Reporter entwickelt, mit dem man die Ca2+-abhängigen Konformationsänderungen in der CDPK während ihrer Aktivierung sichtbar machen kann. Dafür statteten sie eine für Ca2+ hochempfindliche und eine weniger empfindliche Arabidopsis-CDPK (AtCPK21 und AtCPK23) mit dem Reporter aus.
Nach Transformation von Tabak- und Arabidopsispflanzen mit den beiden CDPK-Fluoreszenz-Konstrukten konnten die Wissenschaftler in diesen beiden Pflanzen die kalziuminduzierte Fluoreszenzsignaländerung in Echtzeit detektieren und demnach in vivo die Konformationsänderung, also Aktivierung und, nach Abklingen des Signals, auch die Inaktivierung der CDPKs verfolgen. Dabei wurden in Arabidopsis die Schließzellen der Stomata ins Visier genommen, während man in Tabak vor allem die Pollenschläuche beobachtete, in denen natürlicherweise eine starke Fluktuation des Ca2+-Signals vorherrscht. Hier reagierte dann entsprechend auch nur der Ca2+-empfindliche AtCPK21-Fluoreszenzsensor in oszillierender Form auf die intrazelluläre Kalziumfluktuation, während der weniger empfindlichen AtCPK23-Fluoreszenzesensor keine Änderung des Fluoreszenzsignal zeigte. In den Schließzellen der Arabidopsis-Stomata konnten die Wissenschaftler zudem nachweisen, dass AtCPK21-Fluoreszenzesensor auf jene frühen Kalziumanstiege reagierte, die durch Abszisinsäure oder durch das Flagellin-Peptid flg22 ausgelöst worden waren. Dies spricht für eine Beteiligung der AtCPK21 bei der Pathogenabwehr.
Mit dieser Studie haben die Hallenser Wissenschaftler nachgewiesen, dass CDPK-Isoformen unterschiedlich stark auf Kalziumsignale reagieren, was in Geweben mit ausgeprägter Kalziumfluktuation dazu führt, dass nur die hochempfindlichen CDPKs aktiviert werden und damit die Richtung der Signalkette beeinflussen. Zudem konnten sie für die Arabidopsis-Schließzellen erste Aussagen über die Art des Stresses treffen, der die Aktivierung der AtCPK21 ausgelöst hatte. Das CDPK-Fluoreszenzsensor-System ist demnach ein leistungsfähiger Ansatz für die Entschlüsselung der Ca2+-Signalwege in lebenden Zellen und in Echtzeit bei einer Vielzahl von pflanzlichen Stress- und Entwicklungsreaktionen, so das Fazit der Wissenschaftler. Das CPKaleon getaufte CDPK-Fluoreszenzsensorsystem soll künftig genutzt werden, um die Funktion weiterer CDPK-Isoformen in verschiedenen Signalwegen aufzuklären.
