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GRAVITATIONSBIOLOGIE

Forschung im Weltraum und auf der Erde

"Frühe Prozesse der Schwerkraftwahrnehmung im Modellsystem Chara und in Höheren Pflanzen - Untersuchungen in Mikrogravitation und auf der Erde" gefördert von BMBF durch DLR

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Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen

 

FORSCHUNGSPROJEKTE

Projektleitung: PD Dr. Markus Braun


Mikrogravitationsexperimente

(für ausführliche Informationen bitte Themenbereich anklicken)

 

Space Shuttle

Sounding Rockets TEXUS/MAXUS

Parabelflüge Airbus A300


 

Zell- und molekularbiologische Projekte

Dreidimensionale Rekonstruktion der zellulären Ultrastruktur im Chara Rhizoid

In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Andrew Staehelin (University of Colorado, Boulder, USA) wird die Ultrastruktur der Rhizoidspitze in gefrierfixierten Präparaten mit Hilfe der hoch auflösenden 3D-Tomographie (dual axis, high voltage electron microscope tomography, Mastronarde 1997) analysiert, um strukturelle Grundlagen des Wachstum-steuernden Apparates zu rekonstruieren und funktionale Zusammenhänge der Steuerung des gravitropen Spitzenwachstums zu verstehen. Mehr ...

3D Modell

 

Molekulare Charakterisierung gravitroper Signalketten

Die Gen-Expressionsmuster von ungereizten und gravistimulierten Chara-Rhizoiden und -Protonemata werden analysiert. In einem bestimmten Entwicklungsstadium sind Chara-Rhizoide und -Protonemata sehr ähnlich. Sie unterscheiden sich aber grundsätzlich durch eine gegensätzliche gravitrope Orientierung. Ziel dieser Untersuchungen ist die Identifizierung von molekularen Schaltern bzw. Genen, die Komponenten der positiv und negativ gravitropen Signalketten darstellen.

Differential Display

 

Schlüsselgene des Schwerkraft-orientierten Spitzenwachstums

Molekulare Charakterisierung Spektrin-artiger Proteine

 

 Spitzenwachstumsrelevante Proteine

Die Cytoskelettelemente Aktin und Tubulin und weitere assoziierte Proteine (Spektrine, Integrine, Annexine) werden immuncytochemisch identifiziert und mit Hilfe immunologischer und elektronenmikroskopischer Methoden lokalisiert. Hochdruck-Einfrierfixierung (high pressure-freeze-fixation) und Immunogold-Markierung ermöglichen eine präzise intrazellulare Lokalisierung. Unser Hauptinteresse gilt hier dem strukturellen Aufbau des Spitzenwachstumsapparates verschiedener Zellsysteme.

 

 Aktin und Spitzenwachstum

Das Spitzenwachstum der schlauchförmigen Rhizoide und Protonemata erfordert ein ausgeprägtes F-Aktin-Netzwerk, das bis in die äußerste Zellspitze reicht. Das Aktin-Cytoskelett vermittelt nicht nur die Anlieferung von sekretorischen Vesikeln für das auf die Zellspitze beschränkte Wachstum, es hält auch auch die Statolithen in einer zweckmäßigen Position nahe der Zellspitze und organisiert die komplexe Struktur des Spitzenkörpers mit seinem zentralen ER-Aggregat. In der Aktin-vermittelten Verankerung dieses einzigartigen apikalen Wachstum-organisierenden Komplexes besteht ein in der Zellspitze fällt in beiden Zelltypen sehr unterschiedlich aus und scheint eine zentrale Rolle bei der Graviresponse der Protonemata, nicht aber bei der der Rhizoide zu spielen. Durch den Einsatz von Aktin-Inhibitoren, wie Cytochalasin und Latrunculin B, lassen sich die vielfältigen Funktionen des Aktins beim Spitzenwachstum und den verschiedenen Phasen der positiv und negativ gravitropen Reaktion analysieren.

 

 Statolithen-Cytoskelett-Interaktionen

Die vom Aktin abhängige Positionierung und die Schwerkraft-induzierte Verlagerung der Statolithen (mit BaSO4-Kristallen gefüllte Vesikel) in Chara-Rhizoiden und Chara-Protonemen sind die Grundvoraussetzungen für die Schwerkraftwahrnehmung und -beantwortung. Bei Chara-Rhizoiden verursacht die Statolithensedimentation auf einen bestimmten, sensitiven Bereich der Plasmamembran eine lokale Exocytosehemmung und somit differentielles Flankenwachstum, während die Statolithen in Protonemata in die Zellspitze hineinsedimentieren und dort eine Verlagerung des Spitzenkörpers bzw. des Wachstumszentrums zur oberen Flanke bewirken. Mit Hilfe verschiedener Methoden zur Veränderung bzw. zum "Abschalten" und Variieren der normalen Massenbeschleunigung (1g auf der Erde) untersuchen wir die Interaktion der Statolithen mit dem Aktin-Cytoskelett.

 

 Graviperzeptionsmechanismus der Chara-Rhizoide

Während in höheren Pflanzen schon geringe Verlagerungen der als Statolithen fungierenden Amyloplasten zur Auslösung der gravitropen Reaktion ausreichen, wird die Signalkette in Rhizoiden und Protonemata der Characeen erst durch die vollständige Sedimentation einiger Statolithen auf den sensitiven Bereich der Plasmamembran ausgelöst. Durch lokale Veränderungen der Ionenkonzentration und laterale Applikation von Hemmstoffen, Ionophoren usw. werden die Graviperzeptionsmechanismen untersucht, durch welche der physikalische Reiz der Statolithensedimentation (Suszeption) in ein zelluläres Signal umgewandelt wird.