- Nach Heuschreck-Sekunde erhöht sich Calciumspiegel - Dr. Gerald Albach
Der Mineralstoff Calcium gehört für Pflanzen zu den Makronährstoffen und für Menschen zu den Mengenelementen: Während wir unseren Gartenpflanzen Calcium bei einer Kalkung als Calciumcarbonat-Dünger zuführen, nehmen wir Menschen Calcium als Nährstoff hauptsächlich über Milchprodukte auf – es gibt aber auch calciumreiche Gemüsearten wie Brokkoli, Grünkohl oder Spinat. Während beim Menschen das meiste Calcium in Form von Hydroxyapatit in den Knochen steckt, stecken Pflanzen Mineralstoffe oder Zucker überwiegend in die Vakuole: Die Vakuole ist quasi eine große Speicherblase in der Pflanzenzelle, durch vakuoläre Ionen-Kanäle wie TPC1 werden ionisierte Mineralstoffe wie Calcium- (Ca2+) und Kalium-Ionen (K+) transportiert. Am 13. September 2011 stellte Prof. Dr. Rainer Hedrich vom Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Julius-Maximilians-Universität in Würzburg eine neue Funktion des Ionen-Kanals TPC1 vor (englische Abkürzung für Two Pore Channel 1): Der Ionen-Kanal funktioniert wie ein Calcium-Sensor in der Pflanzenzelle – diese Funktion entdeckte man in einem chronisch gestörten Kohlgewächs.
Manche Pflanzen haben chronische Angst vor Heuschrecken
Menschen haben oft unberechtigterweise schreckliche Angst vor Spinnen, dagegen haben Pflanzen berechtigterweise schreckliche Angst vor gefräßigen Heuschrecken: Die Arbeitsgruppe um Prof. Hedrich entdeckte nun einen chronisch gestörten Vertreter der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) – die Ackerschmalwand gehört wie Brokkoli und Grünkohl zu den Kohlgewächsen. Durch eine Veränderung des Erbmaterials (Mutation) spinnt bei der Ackerschmalwand der Calcium-Haushalt in den Pflanzenzellen. Die spinnerte Pflanze stellt dadurch ständig große Mengen des Wundhormons Jasmonat her – als ob die Pflanzenblätter ständig von Heuschrecken oder Raupen angefressen würden.
Bei Raupen-Phobie Jasmonsäure – bei Blattlaus-Phobie Salicylsäure
Während Menschen mit Arachnophobie das Stresshormon Adrenalin ausschütten, produziert A. thaliana nach der mechanischen Verwundung ihrer Blätter durch kauend fressende Insektenraupen zum Beispiel das Wundhormon Jasmonat (Jasmonsäure). Manche Pflanzen bilden auch nach Insekten-Angriffen Duftstoffe (VOC: Volatile Organic Compounds) – diese Duftstoffe sollen raupenräuberische Insekten anlocken, so genannte Parasitoide und Prädatoren. Etwas anders verhält sich die Ackerschmalwand bei saugenden Blattlaus-Befall: Hier erhöht sich die Konzentration des Phytohormons Salicylsäure. Salicylsäure (Salicylat) ist die Urform der Acetylsalicylsäure (Aspirin) und wurde gegen Hysterie und Nervosität eingesetzt – allerdings bei Menschen, nicht bei Pflanzen mit Insekten-Phobie.
Nach der ersten Heuschreck-Sekunde erhöht sich die Calcium-Konzentration
Bevor Pflanzen überhaupt die Phytohormone Jasmonsäure oder Salicylsäure produzieren, reagieren Pflanzen schon zuvor gegen schreckliche Heuschrecken-Angriffe: Nach der ersten Heuschreck-Sekunde steigt nach der Verwundung im Zellplasma (Cytosol) der Pflanzenzelle der Calcium-Spiegel an – wie beim Menschen spielt auch bei Pflanzen Calcium als sekundärer Botenstoff eine wichtige Rolle. Der Anstieg der Calcium-Konzentration im Zellinnern löst nach der ersten Heuschreck-Sekunde so genannte Signalkaskaden aus – erst später werden die Phytohormone produziert. Allerdings ist bei der chronisch gestörten Ackerschmalwand-Mutante ein Calcium-Sensor defekt, welcher den Calciumhaushalt reguliert. Dadurch leidet die Arabidopsis-Mutante an Raupen-Phobie, deshalb stellt die Schädlingsabwehr ständig das Wundhormon Jasmonat her. Den Calcium-Sensor lokalisierte die Arbeitsgruppe um Prof. Hedrich auf dem Protein des vakuolären Ionenkanals TKP1.
Geänderte Aminosäure-Struktur legt Calcium-Sensor lahm
In der Vakuolenmembran befinden sich vakuoläre Ionen- und Protonen-Pumpen, Ionen-Kanäle und Ionen-Transporter – dies sind alles Bestandteile eines komplexen regulatorischen Netzwerks der Pflanze: Dabei spielt der Ionen-Kanal TPC1 eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Calcium-Konzentration im Zellplasma der Pflanzenzelle. TPC1 wird auch als SV-Kanal (Slow Vacuolar-Kanal) bezeichnet oder als TPK1 (Two Pore K+ Channel 1): Allerdings ist TPC1 kein hochselektiver Kaliumkanal – die Kanalpore von TPC1 unterscheidet nicht besonders stark zwischen einfach geladenen Natrium- (Na+) und Kalium-Ionen (K+), oder doppelt geladenen Calcium-Ionen (Ca2+). Wichtige Ionenkanäle und Ionen-Transporter werden wiederum durch weitere regulatorische Netzwerke kontrolliert: So besitzt das TPC1-Ionenkanal-Protein Bindungsstellen für so genannte 14-3-3-Proteine, sowie eine calciumbindende EF-Hand: Hier bilden EF-Aminosäure-Helices die so genannte Helix-Loop-Helix-Struktur der calciumbindenden Proteine – dieser Calcium-Sensor ist bei der Arabidopsis-Mutante defekt. Im Calcium-Sensor des TPC1-Proteins wurde die Aminosäure Glutamat (Glu) durch Glutamin ersetzt (Gln).
Veränderter Calcium-Sensor kann Calcium-Speicherkapazität verändern
Kationenkanäle wie TPC1 beteiligen sich an der Steuerung der Salztoleranz, der Schwermetall-Homeostase und an den Bewegungen der Schließzellen. Die Biophysiker aus Würzburg vermuten nun, dass der Calcium-Sensor die Füllung des vakuolären Calcium-Speichers registriert. Somit könnte vielleicht die Calcium-Speicherkapazität von Pflanzen bald gezielt verändert werden. Professor Hedrich skizziert die zukünftige Forschungsarbeit: "Als nächstes wollen wir den Mechanismus finden, mit dem Pflanzen über die von Kalzium abhängigen Kanaleigenschaften von TPC1 die Wundhormonproduktion und damit ihre Abwehrbereitschaft gegen Pflanzenfresser abstimmen." Dann kann endlich an Heuschrecken-Phobie leidenden Pflanzen geholfen werden.
Weiterführende Literatur:
Beata Dadacz-Narloch, Diana Beyhl, Christina Larisch, Enrique J. López-Sanjurjo, Ralf Reski, Kazuyuki Kuchitsu, Thomas D. Müller, Dirk Becker, Gerald Schönknecht und Rainer Hedrich (2011): "A Novel Calcium Binding Site in the Slow Vacuolar Cation Channel TPC1 Senses Luminal Calcium Levels". The Plant Cell, Volume 23: Seite 2696 bis 2707 (doi: 10.1105/tpc.111.086751).
Simon J. Conn, Matthew Gilliham, Asmini Athman, Andreas W. Schreiber, Ute Baumann, Isabel Moller, Ning-Hui Cheng, Matthew A. Stancombe, Kendal D. Hirschi, Alex A.R. Webb, Rachel Burton, Brent N. Kaiser, Stephen D. Tyerman und Roger A. Leigh (2011): "Cell-Specific Vacuolar Calcium Storage Mediated by CAX1 Regulates Apoplastic Calcium Concentration, Gas Exchange, and Plant Productivity in Arabidopsis". The Plant Cell, Volume 23, Seite 240 bis 257 (doi: 10.1105/tpc.109.072769).
Dr. Gerald Albach - Schreiben macht Spaß: mit Licht und mit Worten! Damit ich weiß, worüber ich schreibe, habe ich als Diplom-Biologe in der ...
