Zeitschrift für Agrarwissenschaft und Lebensmittelforschung
Offener Zugang

Abstrakt

AP-MS und Organwachstum bei Pflanzen: Von Zellen zu Geweben

Geert De Jaeger

An der Basis der Zellstruktur und -funktion liegen Systeme kurz- und langfristiger submolekularer Interaktionen. Das Forschungsteam des Autors entwickelt interatomische Instrumente für Pflanzen und betreibt eine hochmoderne Affinitätsreinigungs-Massenspektrometrie-(AP-MS)-Plattform zur Aufspaltung von Proteinkomplexen. Dank ihrer hohen Spezifität und Aussagekraft wurde unsere Einrichtung immer zu einem zentralen Omics-Instrument in unserer Forschungsabteilung. Für viele Proteine, die an der Zellentwicklung und -vermehrungskontrolle beteiligt sind, wurden Strukturen isoliert, die auf die Proteinaufdeckung, die funktionelle Analyse von Proteinstrukturen und die Kartierung von Proteinsystemen abzielen, die mit der Organentwicklung von Pflanzen verbunden sind. Sie begannen in Zellkulturen, wanderten jedoch immer weiter zu Arabidopsis-Keimlingen, um schließlich zu Nutzpflanzen zu werden. Aufgrund ihrer größeren Organe sind sie besonders geeignet für die Untersuchung des komplexen Mechanismus der Organentwicklung in einem Entwicklungsumfeld. Sie haben Beweise für die Theorie der Analyse von Proteinkomplexelementen während der Blattentwicklung erhalten und ihre Verwendung für die Organentwicklungsplanung gezeigt.

Da praktisch alle Proteine ​​mit anderen Proteinen interagieren, ist die Betrachtung von Protein-Protein-Interaktionen (PPIs) entscheidend für das Verständnis der Proteinfunktion. Dies ist besonders deutlich, wenn man bestimmte Entwicklungsprozesse betrachtet, bei denen Proteine ​​häufig Entwicklungsstadien- oder Gewebe-spezifische Interaktionen eingehen. Die Betrachtung dieser speziellen PPIs in Pflanzen kann jedoch eine Herausforderung sein. Eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Analyse von PPIs in Pflanzen ist die Proteinreinigung in Verbindung mit Massenspektrometrie (AP/MS). Jüngste Fortschritte im Bereich der Massenspektrometrie haben die Nutzung von AP/MS in einem Entwicklungsumfeld erleichtert. Diese Übersicht behandelt zwei Hauptentwicklungen im Bereich der Proteinreinigung zur Betrachtung von Entwicklungsprozessen in Pflanzen: die Erweiterung der Entwicklungsziele der gesammelten Gewebe und der Übergang von der Proteinreinigung zur Proteinverbesserung. Außerdem diskutieren wir einige neue Proteinreinigungsmethoden, die in letzter Zeit aufgekommen sind und die Zukunft der Protein-Interaktom-Analyse in Pflanzen stark beeinflussen könnten.

Chloroplasten und Mitochondrien sind für das Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung. Sie versorgen Zellen nicht nur mit Energie und Kohlenstoffquellen, sondern sind auch zu wichtigen Akteuren in einer Vielzahl von Prozessen geworden, beispielsweise dem Aminosäurestoffwechsel, der Hormonbiosynthese und der Zellaktivierung. Als halbautonome Organellen enthalten sie ein kleines Genom, dessen Erhaltung und Expression weitgehend von molekularen Komponenten abhängt. Eine intensive Wechselwirkung zwischen dem Kern und den Organellen ist daher für die Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Funktionierens unerlässlich, und die molekularen Eigenschaften, die Organellenproteine ​​kodieren, die an der Photosynthese und der oxidativen Phosphorylierung beteiligt sind, sind für das Pflanzenwachstum eindeutig von entscheidender Bedeutung. Das Organwachstum wird von zwei grundlegenden Zelltypen gesteuert: Zellvermehrung und Zellwachstum. Hier untersuchen wir, wie das Pflanzenwachstum durch Variationen von Organellenproteinen beeinflusst wird, die während der Blatt- und Wurzelentwicklung unterschiedlich exprimiert werden. Unsere Ergebnisse zeigen eine wichtige Rolle von Organellenproteinen im Organwachstum von Pflanzen, insbesondere während der Zellvermehrung. Bislang wurde die Rolle der atomar kodierten Organellenproteine ​​in den Zelltypen, die das Organwachstum steuern, jedoch nicht sehr detailliert erforscht. Wir fordern die Forscher daher auf, ihre phänotypische Beschreibung über die sichtbaren Merkmale hinaus zu erweitern, um bessere Einblicke zu erhalten, wie Chloroplasten und Mitochondrien die grundlegenden Prozesse der Zellvermehrung und des Zellwachstums steuern, die für das Wachstum von entscheidender Bedeutung sind.

Wenn sich Pflanzen entwickeln, werden Zellvermehrung und Zellwachstum streng kontrolliert, um Organe mit einer bestimmten Endgröße wie Blätter zu produzieren. Mehrere Studien haben die Bedeutung des Zellwachstumsstadiums für das Blattwachstum gezeigt, was bedeutet, dass die Zellzyklusregulierung für die richtige Blattentwicklung entscheidend ist. Ein großes und komplexes Netzwerk von Assoziationsproteinen, die das Zellzyklus-Interaktom bilden, kontrolliert den Übergang von einem Zellzyklusstadium zum nächsten. Hier untersuchen wir die aktuellen Daten zu Zellzyklus-Controllern aus diesem Interaktom, die die Endblattgröße beeinflussen, wenn ihr Aussehen verändert wird, hauptsächlich bei Arabidopsis. Zusätzlich zur Beschreibung von Mutationen von CYCLIN-ABHÄNGIGEN KINASEN (CDKs), CYCLINS (CYCs) und ihren transkriptionellen und posttranslationalen Controllern wird eine phänotypische Analyse von Additions- und Verlust-of-Work-Mutationen für 27 Merkmale vorgestellt, die Proteine ​​kodieren, die mit Zellzyklusproteinen interagieren. Diese Datensammlung zeigt, dass das Blattwachstum häufig verändert wird, wenn zellzyklusbezogene Merkmale falsch kommuniziert werden, und dass anscheinend drei grundlegende Muster für die Regulierung der endgültigen Organgröße durch zellzyklusbezogene Merkmale von entscheidender Bedeutung zu sein scheinen: (I) Zellausbeute; (ii) Zellstärkenmessung; und (iii) korrektes Durchlaufen der G2/M-Phase durch Aktivierung des ANAPHASE PROMOTING COMPLEX/CYCLOSOME (APC/C). Insgesamt zeigt diese Metaanalyse, dass das Zellzyklus-Interaktom bei Blattwachstumsregulatoren verändert ist, und bietet die Möglichkeit, neue Blattwachstumsregulatoren unter mutmaßlich neuen Zellzyklusregulatoren zu unterscheiden.