Unraveling the molecular network that drives cell growth in plants

Projektbeschreibung

Lab-on-Chip-Modelle der Wechselwirkungen zwischen Hormonen und Pflanzen erklären molekulare Mechanismen des Wachstums

Bei dem Wort „Hormone“ denken viele von uns wahrscheinlich an Athletinnen und Athleten, die ihre Muskelmassen optimieren, oder an Landwirte, welche die Steigerung der Wachstumsrate ihres Viehbestands im Blick haben. Tiere sind jedoch nicht die einzigen, bei denen Wachstumsfaktoren zum Einsatz kommen. Pflanzenwachstum ist im Großen und Ganzen das Ergebnis der Streckung von Zellen als Reaktion auf das Hormon Auxin. Die Zellelongation ist für Vorgänge unter und über der Erde wichtig, vom entwicklungsbedingten Wurzelwachstum bis hin zu Schattenvermeidungsreaktionen von Blättern und Stängeln. Das EU-finanzierte Projekt CELLONGATE untersucht das Wurzelwachstum anhand einer Kombination aus Bildgebung lebender Zellen und Genetik. Durch die Herstellung einer Korrelation des Wurzelwachstums in Echtzeit mit proteinbedingten Veränderungen sollen einige der vielen Wissenslücken in Bezug auf die dem Zellwachstum von Pflanzen zugrunde liegenden molekularen Mechanismen geschlossen werden.

Ziel

Plants differ strikingly from animals by the almost total absence of cell migration in their development. Plants build their bodies using a hydrostatic skeleton that consists of pressurized cells encased by a cell wall. Consequently, plant cells cannot migrate and must sculpture their bodies by orientation of cell division and precise regulation of cell growth. Cell growth depends on the balance between internal cell pressure – turgor, and strength of the cell wall. Cell growth is under a strict developmental control, which is exemplified in the Arabidopsis thaliana root tip, where massive cell elongation occurs in a defined spatio-temporal developmental window. Despite the immobility of their cells, plant organs move to optimize light and nutrient acquisition and to orient their bodies along the gravity vector. These movements depend on differential regulation of cell elongation across the organ, and on response to the phytohormone auxin. Even though the control of cell growth is in the epicenter of plant development, protein networks steering the developmental growth onset, coordination and termination remain elusive. Similarly, although auxin is the central regulator of growth, the molecular mechanism of its effect on root growth is unknown. In this project, I will establish a unique microscopy setup for high spatio-temporal resolution live-cell imaging equipped with a microfluidic lab-on-chip platform optimized for growing roots, to enable analysis and manipulation of root growth physiology. I will use developmental gradients in the root to discover genes that steer cellular growth, by correlating transcriptome profiles of individual cell types with the cell size. In parallel, I will exploit the auxin effect on root to unravel molecular mechanisms that control cell elongation. Finally, I am going to combine the live-cell imaging methodology with the gene discovery approaches to chart a dynamic spatio-temporal physiological map of a growing Arabidopsis root.