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In vivo ImagingVerfahren zur Visualisierung von Gensteuerungsprozessen in der lebenden Pflanze
Die Aktivierung der Genexpression in Pflanzen als Antwort auf z.B. äußere Reize wird in zeitlicher und räumlicher Dimension präzise reguliert. Für ein tieferes Verständnis dieser Prozesse ist eine Visualisierung der Gensteuerungsprozesse an der lebenden Pflanze mit möglichst geringer Manipulation des Untersuchungsobjektes erforderlich. Wir haben daher ein nicht-invasives Verfahren mit transgenen Pflanzen etabliert, in denen das zu untersuchende Gen nach Aktivierung die Bildung eines lichterzeugenden Enzyms, der Luciferase des Glühwürmchens, induziert. Durch ein hochempfindliches, bildgebendes Verfahren gelang der Reiz-spezifische Nachweis der Lichtemission in lebenden Arabidopsispflanzen (Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana; Christmann et al. 2005, Plant Physiology 137, 209-219). Mit dieser Technik kann die Genaktivierung sowohl im gesamten Organismus als auch mit zellulärer Auflösung erfaßt werden. Unter anderem wird dieses Verfahren eingesetzt, um die Rolle des Pflanzenhormons Abscisinsäure bei der Kommunikation von Wurzel und Sproß unter Wasserstress zu studieren.
Wurzel-Spross-Kommunikation bei Trockenstress in Arabidopsis
Das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) vermittelt die Anpassung der Pflanzen bei Trockenheit und Salzstreß. ABA setzt dabei einen Signaltransduktionsprozess in Gang, der die adaptive Genexpression einleitet und die Transpiration durch Schließen der Spaltöffnungen reduziert. Bei Wassermangel soll ABA als Signal in der Wurzel generiert werden (Davies-Hypothese), das in den Sproß bzw. in die Blätter transportiert wird, um so eine koordinierte Regulation des Wasserhaushaltes zu ermöglichen. Wir haben ein hochsensitives, ABA-abhängiges Reportersystem entwickelt, mit dessen Hilfe wir ABA Wirkungen in leenden Pflanzen mit zellulärer Auflösung zu detektieren vermögen. So kann die Akkumulation des aktiven Phytohormons ABA in wassergestreßten Pflanzen sichtbar gemacht werden. Dieses Reportersystem haben wir mit einer Mikro-Pfropftechnik kombiniert, die es erlaubte, Pflanzen mit einem Wurzelsystem mit normaler Hormonbildung, aber gestörter ABA-Biosynthese (aba2) im Sproßbereich zu erzeugen. Unsere eigenen Messungen an derartigenArabidopsis thalianaPfropflingen widerlegten die Davies-Hypothese, die Eingang in die Lehrbücher gefunden hat. Unter Wasserstress generierteABA vermag nicht die Transpiration im Blatt zu unterbinden. Dazu ist die blattabhängige Bildung der ABA notwendig. Wurzeln von Arabidopsis Pflanzen senden bei Wassermangel ein hydraulisches Signal in den Sproß, das dort die ABA-Bildung auslöst (Christmann et al., 2007, The Plant Journal52, 167-174).