DBG · Nachwuchsförderung

Felix Rehms (Universität Münster)

Felix Rehms erhielt den Preis für die beste pflanzenwissenschaftliche Master-Arbeit, die an der Westfälische Wilhelms-Universität Münster im Jahr 2019 erstellt wurde, von der Deutschen Botanischen Gesellschaft.

Titel: Entwicklung und Anwendung genetisch codierter Fluoreszenzsensoren für Hypoxie-Untersuchungen in Pflanzen

Rehms wies eine Akkumulation des sekundären Botenstoffes Ca2+ in energiearmen Zellen und eine darauffolgende Calcium-Signal-Weiterleitung während andauernder Sauerstoff-Restriktion in Arabidopsis thaliana Keimlingen nach. Darüber hinaus dokumentierte er den Beginn der Entwicklung von genetisch codierten fluoreszenten Sauerstoffsensoren für die Verwendung in Pflanzen.

In Anbetracht der Häufung von Extremniederschlägen und Fluten im Rahmen des Klimawandels wird die Toleranz gegenüber Sauerstoffmangel (Hypoxie, der vermutlich heftigste mit Flutungen einhergehende Pflanzenstress) ein immer wichtigeres landwirtschaftliches Züchtungsmerkmal, dessen Mechanismen bisher noch weitgehend unbekannt sind.

Um die Rolle von Second Messengers in der pflanzlichen Wahrnehmung und Signalweiterleitung von Hypoxie-Zuständen beziehungsweise der (durch Inhibition der aeroben Atmung) resultierenden Energiekrise aufzuklären wurden im Rahmen dieser Arbeit genetisch codierte fluoreszierende Sensoren der cytosolischen Konzentration von Ca2+ und ATP verwendet. Diese ermöglichten die mikroskopische Untersuchung von „überfluteten“ Arabidopsis thaliana Keimlingen in räumlicher und zeitlicher Auflösung.

Auf diese Art und Weise konnten mehrere Ca2+-Wellen angezeigt werden, die mutmaßlich durch den Zusammenbruch des zellulären Energiehaushaltes und daraus folgender Beeinträchtigung von aktiven Transportprozessen zur Aufrechterhaltung von Ionengradienten ausgelöst wurden. Ausgehend von den ersten ATP-erschöpften Geweben und Zellen können sich diese Wellen durch den gesamten Keimling ausbreiten. Die Dynamik der Wellen und der Vergleich mit der ATP-Konzentration deutet dabei darauf hin, dass die Signal-Propagation ein aktiver Prozess ist, der nicht ausschließlich auf Energiemangel und passivem Ionen-Einstrom beruht.

Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit mit der Entwicklung von genetisch codierten fluoreszierenden Sauerstoff-Indikatoren begonnen. Solche Sauerstoff-Sensoren könnten in jedwedem Gewebe exprimiert und in-vivo verwendet werden. Anders als bisherige chemische oder physikalische Messmöglichkeiten wird dadurch kein zusätzlicher Stress erzeugt. Insofern wären sie ideal zur Aufklärung der Sauerstoff-Abhängigkeit von Signalen in hypoxischen Pflanzen. Die Unabhängigkeit von pflanzlichen Adaptions- und Wachstumsmechanismen ermöglicht außerdem möglicherweise die Identifikation von hypoxische Gewebe-Nischen, die nicht durch hypoxische Marker-Gene angezeigt werden.

 

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Felix Rehms fertigte die Arbeit am Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen (IBBP), Abteilung Molekulargenetik und Zellbiologie der Pflanzen, in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jörg Kudla an.