Characterization of TOL proteins in barley

Das Endomembransystem von Pflanzen stellt ein hoch dynamisches Netzwerk da, welches zelluläre Organisation, Homöostase- und Anpassungsprozesse innerhalb der Zelle aufrecht hält. Innerhalb dieses Systems spielt der Endosomale Sortierungskomplex für Transportprozesse (ESCRT) eine essenzielle Rolle bei Proteinsortierungsprozessen, Vesikeltransport, Membranumformungen und Stressantworten. Diese kumulative Dissertation untersucht die Mitwirkung von ESCRT-Maschinerie Proteinen in Gerste (Hordeum vulgare, L.), wobei der Fokus auf der Untersuchung ihrer Rolle während der Entwicklung und auf Anpassungen in Gegenwart von abiotischem Stress liegt – alles im Rahmen von natur-nahe konzipierten Experimenten. Im Besonderen zielt diese Arbeit auf Schritte zur ersten Charakterisierung von ESCRT-0-ähnlichen Tom1-ähnlichen (TOL) Proteinen in Gerste ab. Salzstress verursacht antagonistische hormonelle Reaktionen, Umstrukturierung des Zytoskeletts, sowie Veränderungen im Vesikel-Transport. Gewebespezifische Proteom- und Mikroskopieanalysen zeigten, dass hohe Salzkonzentrationen das Gleichgewicht zwischen den Signalwegen von Abscisinsäure und Gibberellinsäure während der Keimung stören. Dies führte zur verzögerten Mobilisierung von Speicherproteinen, sowie zu Veränderungen von Zytoskelettdynamiken und Vakuolisierungsprozessen in Aleuron- und Embryozellen von Gerste Samen. Diese zellulären Reaktionen weisen auf das Endomembransystem als hauptbetroffene zelluläre Struktur während abiotischen Stresses hin. Die Weiterentwicklung eines Pflanzenwachstumssystems – der DRD-BIBLOX (Dark-Root Device – Brick Black Box) – ermöglichte Pflanzen- und vor allem Wurzelwachstum, sowie Wurzelbildgebung im Dunkeln, in Erde, ohne künstliche Wurzelbeleuchtung. DRD-BIBLOX Experimente lieferten ökologisch realistischere Einblicke bezüglich Entwicklungs- und Stressanpassungsprozessen von Pflanzen. Basierend auf DRD-BIBLOX Experimenten, zeigten proteomische Untersuchungen von in Erde gewachsenen Gerste Keimlingen, dass der ESCRT-Proteinkomplex – insbesondere die Proteine HvSNF7, HvVPS4 und HvTOLProteine – eine zentrale Rolle im Vesikeltransport, bei hormonellen Signalprozessen und zellulären Homöostaseprozessen unter Salzstress spielt. Funktionelle Analysen deuten zudem darauf hin, dass TOLProteine als wichtige und stresssensitive Regulatoren bei Vesikelsortierungs- und Wurzelentwicklungsprozessen wirken. Ergänzend zeigten Lipidomanalysen während der Kornentwicklung und in Gegenwart von Hitzestress, eine dynamische Umstrukturierung von Glycosyl-Inositolphosphoceramiden (GIPCs). Diese wichtigen Sphingolipiden der Plasmamembran, tragen zu erhöhter Membranstabilität und thermischen Widerstandsfähigkeit bei. Insgesamt vereint diese Arbeit verschiedene Aspekte der Stressanpassung von Gerste – von hormoneller Regulation und Zytoskelettdynamiken bis zu Vesikeltransport und Membranumbau. Durch die Kombination von komplexem naturnahem Experimentaufbau und molekularen Labortechniken, vermittelt diese Arbeit umfassende Einblicke zur Stressresilienz in Getreidepflanzen. Zusätzlich stellen die gewonnenen Erkenntnisse eine methodologische Grundlage für ökologisch realistischere und komplexe Experimente da, die Labor- und Feldforschung miteinander verbinden. Letztlich leisten sie einen Beitrag zur Entwicklung neuer Strategien zur Züchtung stressresistenter Nutzpflanzen im größeren Kontext der globalen Klimakrise.