Forschung

Stellen Sie sich eine winzige, komplexe Maschine in einer Zelle vor, die wie eine Pumpe wirkt und es essentiellen Partikeln ermöglicht, ein- und auszuströmen, um das perfekte Gleichgewicht für das Überleben der Zelle aufrechtzuerhalten. Diese winzige Pumpe, bekannt als V-ATPase, ist für viele lebenswichtige Prozesse in Zellen unerlässlich, von der Proteinzerlegung bis zur Aufrechterhaltung des richtigen Säuregehalts. Aber das Studium dieser Pumpe in Tieren und Menschen ist äußerst herausfordernd, denn wenn sie nicht funktioniert, stirbt der Organismus. Hier kommt die Einzigartigkeit der Pflanzen ins Spiel! Pflanzen verfügen über eine zusätzliche Familie von Pumpen, die einspringen können, wenn die V-ATPase nicht funktioniert. Dies ermöglicht es uns, mehr über die V-ATPase zu erfahren, ohne den Organismus zu schädigen. Mein Team und ich haben eine innovative Technik entwickelt, die fortschrittliche Mikroskopie verwendet, um die V-ATPase in Pflanzen zu studieren und so neue Möglichkeiten für das Verständnis der Funktionsweise dieser Pumpe zu eröffnen. Diese Forschung hat potenziell weitreichende Auswirkungen, von einem besseren Verständnis, wie Pflanzen sich entwickelt haben, um in verschiedenen Umgebungen zu überleben, bis hin zu neuen Möglichkeiten, unsere Kulturen angesichts des Klimawandels zu schützen. Neben unserer Arbeit an der V-ATPase erforschen wir auch die faszinierende Welt der Autophagie in Pflanzen. Autophagie ist ein Prozess, bei dem eine Zelle ihre eigenen Bestandteile recycelt, um unter Stressbedingungen zu überleben. Es gibt zwei Haupttypen der Autophagie – kanonische und nicht-kanonische. Die kanonische Autophagie beinhaltet die Bildung einer doppelmembranen Vesikel, die als Autophagosom bezeichnet wird, und die zelluläre Bestandteile zur Wiederverwertung aufnimmt. Die nicht-kanonische Autophagie hingegen involviert nicht die Bildung eines Autophagosoms. Stattdessen werden zelluläre Bestandteile direkt zum Vakuol befördert, wo sich die V-ATPase befindet. Unsere Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis der Rolle der V-ATPase in der nicht-kanonischen Autophagie. Wir glauben, dass dieser Prozess eine entscheidende Rolle für das Überleben der Pflanzen spielt, insbesondere unter Stressbedingungen. Indem wir die Feinheiten der nicht-kanonischen Autophagie aufklären, hoffen wir, neue Wege zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Pflanzen aufzuzeigen. Und unser Wissen über die V-ATPase wird nicht nur für die Pflanzenforschung, sondern auch für die globale wissenschaftliche Gemeinschaft von Nutzen sein. Ich freue mich darauf, mich auf diese Reise zu begeben, um die Geheimnisse dieser winzigen, aber mächtigen zellulären Pumpe zu enthüllen.

Pflanzen zeichnen sich durch ein gerichtetes Wachstum aus, und zeigen eine definierte Polarität in der Ausbildung und Differenzierung von Organen, wie z.B. von Wurzeln oder Sprossen. Diese Polarität des Wachstums erfolgt in Abhängigkeit von Umweltfaktoren, um eine optimale Anpassung an die jeweiligen Umweltbedingungen zu ermöglichen. Gerichtetes Wachstum von Pflanzen wird durch unterschiedlichste Wachstumsfaktoren reguliert. Das Pflanzenhormon Auxin spielt dabei eine zentrale Rolle, und ist an einer großen Bandbreite pflanzlicher Entwicklungsprozessen beteiligt. Diese Diversität an Prozessen wird durch kontrollierte, lokale Variationen der intrazellulären Auxinkonzentration ermöglicht, ein Prozess der durch den gerichteten Transports des Hormones durch die Pflanze reguliert wird. PIN-FORMED Auxintransportproteine sind verantwortlich für den gerichteten Transport des Hormones und zeigen eine oftmals asymmetrische, polare Verteilung an der zellulären Plasmamembran, wodurch die Richtung des Auxintransports letztlich definiert ist. Um ein tieferes Verständnis der Mechanismen, welche die Verteilung der PIN-FORMED Proteine beeinflussen, zu erlangen, versuchen wir die Wirkungsweise der WAV3 Proteine in der Modelpflanze Arabidopsis zu verstehen. WAV3 zeigt selbst eine polare Verteilung an der Plasmamembran und kontrolliert die polare Verteilung der PIN-FORMED Proteine. Unterschiede in der WAV3 Expression, als auch die subzelluläre Verteilung oder die enzymatische Aktivität von WAV3 könnten dabei eine Rolle spielen. In diesem Projekt versuchen wir die funktionellen WAV3 Proteindomänen und deren Relevanz für die PIN-FORMED Polaritätskontrolle zu charakterisieren. Dazu werden unterschiedlichste, mutierte Versionen von WAV3 als auch Proteinfusionen, bestehend aus Domänen von WAV3 und weiterer verwandter Proteine, auf deren Funktionalität hin getestet. Zusätzlich wollen wir die Mechanismen der subzellulären polaren Verteilung von WAV3 unter Zuhilfenahme pharmakologischer und genetischer Methoden analysieren. Damit soll auch eine etwaige Funktion von WAV3 als positioneller Marker in der Kontrolle der PIN-FORMED Polarität getestet werden. Schlussendlich ist geplant, zelluläre Faktoren die mit WAV3 interagieren unter Verwendung innovativer Markierungstechniken zu identifizieren. Die Charakterisierung des WAV3-Interaktoms sollte entscheidend dazu beitragen, molekulare Mechanismen der polaren PIN-FORMED Verteilung und somit der Adaptabilität höherer Pflanzen zu verstehen.

Wassermangel, als Folge sich ändernder Umweltparameter, ist eines der immanentesten und schwerwiegendsten Probleme der Landwirtschaft. Dies betrifft natürlich nicht nur für Kulturpflanzen auf dem Ackerland, sondern auch für unsere Gesellschaft und deren wichtigste Ressource - die Nahrungsmittelversorgung. Konventionelle Züchtung die auf die Erzeugung dürre-toleranter und ertragreicher Pflanzen abzielt, hat in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte erzielt. Unglücklicherweise ist diese Art der Züchtung äußerst zeitaufwändig und im Lichte der gegenwärtigen drastischen klimatischen Veränderungen, die wir auch in Mitteleuropa erleben, wären schnellere, innovative Lösungen von großem Vorteil. In einer Reihe von Ansätzen wurden und werden Kulturpflanzen, unter Zuhilfenahme von gentechnologischen Methoden, verändert, um eine verbesserte Anpassung an Umweltstressbedingungen zu ermöglichen. Aufgrund der momentanen Gesetzeslage und der begrenzten Akzeptanz in der Öffentlichkeit erscheint es jedoch unwahrscheinlich, dass GVO-Pflanzen in absehbarer Zeit ihren Weg auf lokales Ackerland finden werden. Aus diesem Grund wollen wir Ergebnisse aus der Grundlagenforschung verwenden, um dürre-verträgliche und GVO-freie Nutzpflanzen zu erzeugen. In einer engen Zusammenarbeit zwischen Kollegen vom BOKU-Campus Tulln und dem IST-Klosterneuburg sollen trockentolerante Sojabohnen erzeugt werden, indem die Aktivität einer pflanzenspezifischen, kleinen Familie von Genen modifiziert wird. Dieser Ansatz basiert auf modernster CRISPR/Cas9 Genom-Editierung Technologie und soll neuartige Sojavarietäten hervorbringen. Diese Linien werden dann sorgfältig analysiert, um jene Genkombination(en) zu ermitteln, die zu verbesserter Trockentoleranz beitragen, ohne weitere, wichtige agronomische Wachstumsparameter zu beeinflussen. Sobald der Nachweis der Trockentoleranz erbracht ist, sollen natürlich vorkommende genetische Soja-Varianten aus Sammlungen von Sojavarietäten identifiziert werden. Dies ermöglicht die Erzeugung von gentechnikfreiem und trockentolerantem Elite-Saatgut, das auch drastischen Veränderungen in unserer Umwelt standhalten sollte.