2020: Beste Master-Arbeit

Johanna Knab erhielt den Preis für die beste pflanzenwissenschaftliche Master-Arbeit, die an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) im Jahr 2020 erstellt wurde, von der Deutschen Botanischen Gesellschaft.

Titel: Untersuchungen an CNGC-Kanälen in Physcomitrium patens, sowie Erstellung von optogenetischen Linien und eines pH Markers zum Live-Cell Imaging

Lokaler Ca²⁺-Import durch CNGC-Kanäle scheint das Spitzenwachstum im Moos (Physcomitrium patens) Protonemata zu beeinflussen und kann durch ein neu etabliertes optogenetisches System untersucht werden.

Pflanzliche „durch zyklische Nukleotide-gesteuerte Kanäle“ (CNGCs) regulieren viele biologische Prozesse von der Pflanzenentwicklung bis hin zum Spitzenwachstum und zu Immunantworten. Im Moos Physcomitrium patens sind acht CNGCs bekannt, deren Funktionen weitgehend unerforscht sind, während in Arabidopsis thaliana bereits eine Beteiligung verschiedener CNGCs am Spitzenwachstum von Wurzelhaaren und Pollenschläuchen gezeigt werden konnte. Um den Einfluss von CNGC Kanälen auf das Spitzenwachstum von Moos-Protonemata zu untersuchen, wurden verschiedene P. patens CNGC Knock-Out Linien mittels CRISPR/Cas Behandlung generiert. Es konnten vier verschiedene cngc Einzel-KO-Linien, zwei cngc Doppel-KO-Linien und eine cngc Triple-KO-Linie erzeugt werden. Die restlichen vier CNGC Gene konnten bisher noch nicht ausgeschaltet werden, was auf essentielle Funktionen dieser Kanäle hinweisen könnte. Die Untersuchung der etablierten cngc KO-linien hat gezeigt, dass drei P. patens CNGCs tatsächlich das Spitzenwachstum in Protonemata beeinflussen. cngc-b, cngc-c und cngc-h Einzel-KO-Linien zeigten eine signifikante Verlängerung von Protonemata-Zellen, genauso wie zwei der cngc-Doppel-KO-Linien. Dieser Effekt war besonders ausgeprägt in der cngc-b/cngc-c Doppel-KO-Linie zu beobachten, was auf additive funktionelle Interaktionen zwischen CNGCc und CNGCb hindeutet.

Darüber hinaus wurden Experimente zur Etablierung eines optogenetischen Systems in P. patens durchgeführt. Die Optogenetik stellt eine zellbiologische Methode dar, mit der sich Prozesse in lebenden Zellen unter dem Einsatz von lichtempfindlichen Proteinen durch Lichtimpulse steuern lassen. In Zusammenarbeit mit Herrn Prof. Dr. Nagel von der Universität Würzburg wurden transgene P. patens Linien generiert, die ein rekombinantes Channelrhodopsin fusioniert mit einem grün-fluoreszierenden Protein (ChR-2-XXL::GFP) exprimieren. Ähnliche Channelrhodopsine wurden bereits erfolgreich in der Neurobiologie zur Generierung lichtinduzierter Aktionspotentiale eingesetzt. Channelrhodopsin-2 ist ein lichtgesteuerter Kationen-Kanal aus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Auf der Basis dieses Proteins hat Herr Prof. Dr. Nagel den ChR-2-XXL Kanal entwickelt, der Blaulicht-kontrollierte lokale Stimulation vom Ca²⁺-Import über die Plasmamembran erlaubt. Dieser Kanal konnte zum ersten Mal in P. patens erfolgreich exprimiert werden und zeigte die gewünschte Lokalisation in der Plasmamembran. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine an eine Chloroplasten-Targeting Sequenz gekoppelte Dioxygenase tatsächlich in Chloroplasten importiert wird, wo sie ausgehend von ß-Carotin Retinal synthetisieren kann, das für die Funktion des ChR-2-XXL Kanals essentiell ist. Mit diesem System solle es jetzt möglich sein, Auswirkungen lokaler durch Blaulicht-Stimulation ausgelöster Zelldepolarisation auf das Spitzenwachstum zu untersuchen.

Am FAU Lehrstuhl für Zellbiologie wird seit vielen Jahren die Rolle von Rac/Rop abhängigen Signalkaskaden in der Kontrolle des Spitzenwachstums von Pflanzenzellen untersucht. Die oben beschriebenen Arbeiten bilden eine hervorragende Grundlage für die zukünftige Untersuchung von funktionellen Interaktionen zwischen Rac/Rop- und Ca²⁺-abhängigen Signalkaskaden im Moos P. patens.

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Johanna Knab fertigte die Arbeit am FAU-Lehrstuhl für Zellbiologie unter der Aufsicht von Dr. Maria Ntefidou in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Benedikt Kost an.