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Montag, 05.12.2016
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Wie Pflanzen elektrische Felder spüren

Spannungssensor sitzt in einem Ionenkanal

Enträtselter Elektrosinn: Forscher haben herausgefunden, mit welchem Sensor Pflanzen elektrische Felder wahrnehmen. Demnach sitzt der Spannungssensor in einem Teil eines Ionenkanals, der bei fast allen Lebewesen vorkommt. Wird das Gen für diesen Kanalteil durch eine Mutation blockiert, macht dies Pflanzen "spannungsblind". Wie Experimente zeigen, kann aber auch ein überaktiver Kanal den Pflanzen Probleme bereiten.
Die Modellpfalnze Arabidopsis thaliana musste für die Suche nach dem Elektrosensor herhalten.

Die Modellpfalnze Arabidopsis thaliana musste für die Suche nach dem Elektrosensor herhalten.

Bei Mensch und Tier nutzen Zellen häufig elektrische Signale, um miteinander zu kommunizieren. Auf diese Weise werden unter anderem Reize in Nerven und Gehirn übertragen und verarbeitet. Aber auch Pflanzen verwenden neben chemischen Botenstoffe elektrische Signale: Über sie melden beispielsweise Blätter an andere Teile der Pflanze, wenn sie verwundet wurden. Die Venusfliegenfalle löst über solche bioelektrischen Signale das Zuschnappen ihrer Blattfalle aus.

Ionenkanal unter der Lupe


"Wir fragen uns seit vielen Jahren, mit welchen molekularen Komponenten sich Pflanzenzellen untereinander austauschen und wie sie die Veränderungen der elektrischen Spannung bemerken", erklärt Rainer Hedrich von der Universität Würzburg. Schon in den 1980er Jahren entdeckten Forscher zwar einen Ionenkanal, der durch Kalziumionen und ein elektrisches Feld aktiviert wird. Doch wie dieser TPC1-getaufte Kanal genau funktioniert und wo in ihm der Spannungssensor sitzt, blieb unklar.

Hedrich und seine Kollegen haben dieses Rätsel nun gelöst., Sie identifizierten den Teil des Kanals, der als Sensor für elektrische Spannung funktioniert und den Kanal anschaltet. Für ihre Studie erstellten die Forscher zunächst ein dreidimensionales Modell des TPC1-Kanalproteins. Dadurch ließen sich Bereiche im Protein eingrenzen, die als Spannungssensoren in Frage kommen.


Die zweite Einheit ist entscheidend


"Unser Modell zeigte deutlich, dass der TPC1-Kanal aus zwei miteinander verknüpften, fast identischen Proteineinheiten besteht, die beide je einen potenziellen Spannungssensoren formen könnten", berichtet Hedrichs Kollege Thomas Müller. Eine genetische Vergleichsanalyse brachte dann noch mehr Licht ins Dunkel. Sie ergab, dass die zweite Untereinheit des Kanals bei nahezu allen Lebewesen vorkommt, den Menschen eingeschlossen.

Der Kaliumkanal TPC1 besteht aus zwei Untereinheiten (links). Wenn Kalziumionen am Kanalprotein binden (grün) und sich das elektrische Feld  ändert, reagieren die Spannungssensoren (rote Zylinder).

Der Kaliumkanal TPC1 besteht aus zwei Untereinheiten (links). Wenn Kalziumionen am Kanalprotein binden (grün) und sich das elektrische Feld ändert, reagieren die Spannungssensoren (rote Zylinder).

"Bei der Analyse fiel uns auf, dass sich die zweite Einheit des TPC1-Proteins im Laufe der Jahrmillionen kaum verändert hat", berichtet Koautor Dirk Becker von der Universität Würzburg.
"Sie ist bei einfachen Einzellern bis hin zu Pflanzen und Menschen fast identisch." Das aber deutet darauf hin, dass in diesem Teil des Kanals auch der Spannungssensor sitzen muss, wie die Forscher erklären.

Blockierter Kanal macht spannungsblind


Und tatsächlich bestätigte sich dies in einem Experiment: Die Forscher schleusten Mutationen in das Gen für die zweite Untereinheit ein, die diese funktionslos werden ließen. Wie sich zeigte, verloren Ackerschmalwand-Pflanzen mit diesen Mutationen ihre Fähigkeit, elektrische Reize wahrzunehmen. Damit scheint klar, dass der Elektrosinn der Pflanzen entscheidend vom zweiten Teil des TPC1-Kanals abhängt.

Probleme gibt es aber auch, wenn eine Pflanze eine hyperaktive Form des Kanals besitz, was manchmal vorkommen kann. Wie die Würzburger Forscher herausfanden, sind diese Gewächse dann in ständiger Alarmbereitschaft und reagieren überempfindlich auf Verwundungen oder Insektenbefall. (Plant Biology, 2016; doi: 10.1111/plb.12478)
(Universität Würzburg, 11.07.2016 - NPO)
 
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