So kommunizieren nicht nur Pflanzenzellen

TPC1-Ionenkanal an elektrischer Reizleitung beteiligt

25.06.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzenzellen kommunizieren über elektrische Signale miteinander. An diesem Prozess ist der Ionenkanal TCP1 maßgeblich beteiligt. (Bildequelle: © iStock.com/Warchi)
Pflanzenzellen kommunizieren über elektrische Signale miteinander. An diesem Prozess ist der Ionenkanal TCP1 maßgeblich beteiligt. (Bildequelle: © iStock.com/Warchi)

Vor über 30 Jahren fanden Forscher in den Zellmembranen von Pflanzen ein neues Membranprotein. Nun haben die Entdecker von damals seine Funktion aufgeklärt. Die Erkenntnisse dürften auch Humanmediziner interessieren.

Innerhalb des Nervensystems von Mensch und Tier werden Reize u. a. in Form von elektrischen Impulsen übertragen. Aber auch bei Pflanzen wie z. B. der Mimose findet eine elektrische Reizleitung statt, wenn man ihrer Blätter berührt. Grundsätzliche Voraussetzung für die elektrische Reizweiterleitung bei Pflanzen ist, dass ihre Zellen elektrisch erregbar und zur Weitergabe von elektrischen Impulsen fähig sind.

TPC1 steuert elektrische Signalweitergabe von Pflanzenzellen

Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg konnten nun an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigen, dass der Ionenkanal TPC1 maßgeblich daran beteiligt ist. Im Zuge der Forschungsarbeiten schlossen die Forscher aber auch eine weitere Wissenslücke: Im Gegensatz zu tierischen und menschlichen Zellen besitzen Pflanzenzellen Vakuolen. Das sind Innenräume in den pflanzlichen Zellen, die mit einer wässrigen Lösung befüllt sind. Sie dienen der Pflanze als Vorratskammer für Nährstoffe und können bis zu 90 Prozent des Volumens der Pflanzenzelle ausmachen.

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Die Aktivität des Ionenkanals TPC1 in der Vakuolenmembran (gelb) ist für die elektrische Erregbarkeit der Vakuole essentiell. Links eine Pflanzenzelle, in der Mitte die daraus freigesetzte Vakuole mit Chloroplasten (rot) und einer 3D-Rekonstruktion der TPC1-Kristallstruktur.

Quelle: © Dawid Jaslan / Universität Würzburg

Die Würzburger Forscher fanden heraus, dass nicht nur die äußere Membran der Pflanzenzelle elektrisch erregbar ist, sondern auch jene, die die Zellvakuole umhüllt. In beiden Membranen findet sich der TPC1-Ionenkanal wieder. Dass auch die Vakuolmembran elektrisch erregbar ist, war bislang noch nicht bekannt.

So funktioniert der Ionenkanal TPC1

Der TPC1-Ionenkanal besteht aus zwei Einheiten, die in Kombination einen Ionenkanal formen. Auf der Zellplasmaseite liegt eine Calciumbindestelle zur Aktivierung des Kanals. Auf der Innenseite der Vakuole liegt eine zweite Bindungsstelle. Bei zu hoher Calcium-Konzentration in der Vakuole, wird der Kanal blockiert und die Vakuole verliert ihre Erregbarkeit.

Der Grund, warum der TPC1-Ionenkanal unter dem Einfluss von Calcium arbeitet, ist dass sich bei Fraßschäden nicht nur elektrische Impulse in den Zellen ausbreiten, sondern auch eine Calciumwelle. „Beide Signale verstärken sich gegenseitig, und dadurch kann sich der Reiz in der ganzen Pflanze ausbreiten“, erklärt Ingo Dreyer.

Elektrischer Reiz tritt mit Calciumwelle auf

Auch an diesem Prozess ist der Ionenkanal TPC1 beteiligt: Bei Pflanzen mit defektem TPC1 breitete sich die Calciumwelle nur langsam oder gar nicht mehr aus. Vakuolen ohne TPC1 ließen sich weder durch Reizstrom noch durch eine Erhöhung des Calciumspiegels elektrisch erregen. Im Gegensatz dazu erzeugten Pflanzen mit überexprimiertem TCP1 eine dauerhafte elektrische Erregung. Diese Entdeckung sei auch für die medizinische Forschung interessant, spekuliert Rainer Hedrich, da Menschen ähnlich Ionenkanäle besitzen.

„Wir haben uns auch gefragt, wann die Kalzium-abhängigen TPC1-Funktionen erstmals bei Pflanzen aufgetreten sind“, erklärt Hedrich und kündigt an: „Jetzt wollen wir herausfinden, ob TPC1 auch in frühen Vorfahren unserer Kulturpflanzen für die elektrische Erregbarkeit zuständig ist und ob die Verpflanzung eines Algen- oder Moos-TPC1 den Funktionsausfall in Mutanten moderner Pflanzen heilen kann.“

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