Dokument: Integrative Untersuchung der pflanzlichen elektrischen Fernsignalübertragung: eine räumliche, analytische und optogenetische Analyse
| Titel: | Integrative Untersuchung der pflanzlichen elektrischen Fernsignalübertragung: eine räumliche, analytische und optogenetische Analyse | |||||||
| Weiterer Titel: | Integrative investigation of plant long-distance electric signaling: a spatial, analytical, and optogenetic dissection | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69747 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20260728-081823-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Barbosa-Caro, Juan Camilo [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Nagel, Georg [Gutachter] Prof. Dr. Frommer, Wolf [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Plant electrophysiology stress response | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Pflanzen können eine systemische Reaktion auf lokale Schäden erzeugen. Die Koordination dieser Reaktion in nicht stimuliertem Gewebe erfordert die Übermittlung von Informationen von der verletzten Stelle. Das Signal, das die Abwehrreaktion auslöst, ist als "Slow Wave Potential" (SWP) bekannt, das als Depolarisation des Membranpotenzials (Vm) und als Anstieg der zytosolischen Kalziumkonzentration (\[Ca2+]cyt) registriert wird.
In der Modellpflanze *Arabidopsis thaliana* wurden mehrere Proteine identifiziert, die dem SWP zugrunde liegen. Besonders hervorzuheben sind zwei Mitglieder der ligandensensitiven Ionenkanal-Familie der Glutamatrezeptor-ähnlichen Kanäle (GLR), GLR3.3 und GLR3.6, die gemeinsam für die Einleitung des SWP erforderlich sind. Auch der mechanosensitive Kanal vom Typ „Mechanosensitive of Small conductance-like“ (MSL) 10 trägt zum vollständigen SWP-Signal bei. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Mechanismen zu verstehen, die der Ausbreitung und Erzeugung des SWP zugrunde liegen. Zur Aufklärung molekularer Mechanismen bei der Signalgenerierung versuchten wir, eine mögliche Rückkopplungsschleife zwischen \[Ca2+]cyt und MSL10 zu identifizieren. Darüber hinaus verbesserten wir die Quantifizierung des SWP durch mathematische Auswertung mehrerer Signalkomponenten. Mit dieser erhöhten analytischen Auflösung entwickelten und validierten wir ein Hochdurchsatzprotokoll für das reverse genetische Screening von Genen, die an der SWP-Erzeugung beteiligt sind. Die Ausbreitung des SWP wird durch drei Hypothesen erklärt: (I) Chemische Ausbreitung – wundenbedingte Moleküle werden durch das Gefäßsystem zu intakten Blättern transportiert. (II) Mechanische oder hydraulische Ausbreitung – der Riss im Gefäßsystem der Pflanze erzeugt eine abrupte Dekompression entlang des Systems, also einen sich fortpflanzenden mechanischen Reiz. (III) "Green Cable"-Hypothese – das Gefäßsystem kann sich selbst fortpflanzende elektrische Signale aufrechterhalten, die die Ausbreitung des SWP unterstützen, analog zur neuronalen Signalweiterleitung. Zur Klärung des SWP-Ausbreitungsmechanismus begannen wir mit der experimentellen Prüfung der "Green Cable"-Hypothese. Um die Fähigkeit zur Aktivierung und Selbstfortpflanzung von Depolarisationssignalen zu untersuchen, verwendeten wir Channelrhodopsine – genetisch codierte molekulare Werkzeuge, die eine präzise Kontrolle von Vm und \[Ca2+]cyt ermöglichen. Wir stellten fest, dass eine Vm-Depolarisation keine selbst fortpflanzenden Signale erzeugt, wohl aber \[Ca2+]cyt eine elektrische Welle auslöst, die sich mit einer dem SWP vergleichbaren Geschwindigkeit ausbreitet. Darüber hinaus kombinierten wir zur Bestimmung des Beitrags solcher selbst fortpflanzenden Signale zur SWP-Übertragung eine erhöhte analytische und räumliche Auflösung, um die Ankunftszeit molekularer Komponenten und des SWP zu vergleichen. Wir konnten feststellen, dass verschiedene Komponenten des SWP sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit entlang des Blattstiels ausbreiten. Bemerkenswerterweise treffen die molekularen Signale gleichzeitig mit der ersten SWP-Komponente ein, was darauf hindeutet, dass die chemische Ausbreitungshypothese der führende Übertragungsmechanismus ist.Plants can generate a systemic response to local damage. The coordination of that response in unstimulated tissue requires information delivery from the wounded site. The defense response-initiating signal is known as Slow Wave Potential (SWP), which is recorded as a membrane potential (Vm) depolarization and an increase in cytosolic calcium concentration ([Ca2+]cyt). In the model plant Arabidopsis thaliana, multiple proteins have been identified to underlie the SWP. Notably, two members of the ligand-sensitive ion channel GLutamate Receptor-like (GLR) family, GLR3.3 and GLR3.6, are collectively necessary for initiating the SWP. Also, the Mechanosensitive of Small conductance-like channel (MSL) 10 contribute to a full length SWP signal. This dissertation aims to understand the mechanisms underlying SWP propagation and generation. To elucidate molecular mechanisms in signal generation we aimed to identify a possible feedback loop between [Ca2+]cyt and MSL10. Furthermore, we enhanced SWP quantification by mathematically assessing multiple signal components. We used this increased analytical resolution to develop and validate a high-throughput protocol for reverse genetic screening of SWP generation-involved genes. Propagation of the SWP is explained by three hypotheses. (I) Chemical propagation - wound-related molecules are transported through the vasculature to intact leaves. (II) mechanical or hydraulic propagation - the rupture of the plant vasculature generates abrupt decompression along the system, i.e., a propagating mechanical stimulus. (III) green cable hypothesis - the vasculature can sustain self-propagating electric signals which support SWP spread, analog to neuronal signal propagation. To elucidate the SWP propagation mechanism, we initiated by experimentally testing the green cable hypothesis. To assert the capacity of depolarization activated, self-propagating signals, we used channelrhodopsins - genetically encoded molecular tools that allow precise control of Vm and [Ca2+]cyt. We determined that Vm depolarization does not generate self-propagating signals, but [Ca2+]cyt does initiate an electric wave that propagates at SWP-comparable speed. Furthermore, to determine the contribution of such self-propagating signals to SWP transmission, we combined increased analytical and spatial resolution to compare the arrival time of molecular components and of the SWP. We could resolve that different components of the SWP propagate at different speed along the petiole. Remarkably, the molecular cues arrive simultaneously with the first SWP component, hinting that the chemical propagation hypothesis is the leading transmission mechanism. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 28.07.2026 | |||||||
| Dateien geändert am: | 28.07.2026 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 19.02.2025 | |||||||
| Datum der Promotion: | 19.05.2025 |
