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+++ MITARBEITER - Projektbeschreibung (Nicole Vagt) +++

„Gravity-dependent gene expression

studied under altered gravity conditions“

Nicole Vagt
Doktorandin

In früheren Studien wurden die Effekte veränderter Schwerkraftbedingungen auf die schwerkraft-abhängigen zellulären Prozesse in Rhizoiden und Wurzelstatozyten bereits intensiv erforscht. Insbesondere Mikrogravitationsexperimente auf Höhenforschungsraketen (TEXUS, MAXUS) und während der Parabelflüge mit dem A300 Zero-G haben entscheidend dazu beigetragen, die zellulären Prozesse der Schwerkraftsuszeption und -perzeption in Pflanzen besser zu verstehen. Es wurde gezeigt, dass Rhizoide und die schwerkraftwahrnehmenden Zellen der höheren Pflanzen, sehr sensitiv gegenüber Veränderungen des Schwerkraftvektors sind. Grundlage für ein sensitives und effizientes Schwerkraftwahrnehmungssystem in Pflanzen bildet das Aktomyosinsystem, welches die Statolithensedimentation und damit die Aktivierung von Schwerkraftrezeptoren vermittelt. Kleinste Abweichungen von der genetisch vorgegebenen Wachstumsrichtung des Pflanzenorgans werden unmittelbar erkannt und schnell korrigiert.

Im Rahmen des Teilprojekts wird der Fragestellung nachgegangen, ob veränderte Schwerkraftbedingungen neben den Effekten auf zellulärer Ebene auch Veränderungen in der Regulation von Genen bewirken. Der Parabelflug stellt eine einzigartige experimentelle Plattform dar, die unterschiedliche Schwerkraftbedingungen bietet - normale Erdschwerkraft (1g), Hypergravitation (2g) und Mikrogravitationsbedingungen (µg). Zur Untersuchung der Effekte der unterschiedlichen g-Bedingungen auf das Transkriptom von Arabidopsis Keimlingen, wurde ein Experiment während der 10. DLR Parabelflugkampagne durchgeführt, bei dem Flugproben den unterschiedlichen Beschleunigungen eines Fluges ausgesetzt wurden. Parallel wurden Bodenkontrollexperimente unter 1g Bedingungen und Zentrifugationsexperimente unter Hyper-g-Bedingungen durchgeführt. Nach Extraktion und Aufreinigung der RNA, erfolgte die Expressionsanalyse mittels Microarray-Technologie.

Erste Erkenntnisse: Die Genexpressionsanalysen zeigen, dass Pflanzen nicht nur Abweichungen von ihrer genetisch vorgegebenen Wachstumsrichtung unter 1g Bedingungen wahrnehmen und darauf durch die Regulation von schwerkraftabhängigen Genen reagieren. Pflanzen sind auf genetischer Ebene ebenso sensitiv gegenüber Hyper-g- oder µg-Bedingungen - auch gegenüber sehr schnellen und kurzzeitigen Veränderungen der Schwerkraft, wie dies bei einem Parabelflug der Fall ist (1g, 2g, µg). Bei der Antwort der Pflanze auf Hyper-g- bzw. µg-Bedingungen werden allerdings andere Gene reguliert als das bei der gravitropen Antwort unter 1g Bedingungen der Fall ist. Es wurde außerdem gezeigt, dass g-Bedingungen, die von 1g abweichen, nicht ausschließlich Stressantworten hervorrufen, sondern auch spezifische Modifikationen auslösen, wie z.B. die veränderte Anordnung von Zellwandkomponenten während der Hyper-g Bedingungen in Zentrifugationsexperimenten.

© Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen IMBIO, AG Gravitationbiologie  ( © Fabian A. Paul )