Distinct roles of PI4P 5-kinase isoforms in polar tip growth of pollen tubes

Abstract

Das Phospholipid Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PI(4,5)P2) kommt in wachsenden Pollenschläuchen vorwiegend in der apikalen Plasmamembran der Spitze vor. Welche Enzyme PI(4,5)P2 an dieser Stelle synthetisieren und welche Funktionen dieses Signallipid hat, war bislang unbekannt. Daher wurden an Hand von Sequenzähnlichkeiten und publizierten Genexpressionsdaten fünf Kandidaten-gene identifiziert, welche möglicherweise Phosphatidylinositol-4-phosphat 5-Kinasen (PI4P 5-Kinasen) kodieren und in Pollenschläuchen exprimiert werden. Diese Kinasen wurden heterolog exprimiert und biochemisch charakterisiert, wobei die vermutete PI4P 5-Kinaseaktivität bestätigt wurde. Auf Grund ihrer Domänenstruktur können die Isoenzyme in zwei Unterfamilien A und B unterteilt werden. Die Analyse von Arabidopsis Mutanten, die in der Expression verschiedener PI4P 5-Kinasen gestört sind, zeigte, dass Typ A Isoenzyme essentiell für die Pollenentwicklung sind, während Typ B Kinasen eine wichtige Rolle vor allem bei der Pollenkeimung spielen. Alle fünf Enzyme waren in der apikalen Plasmamembran von Pollenschläuchen lokalisiert, wobei die Ergebnisse im parallel untersuchten Arabidopsis- und Tabakmodell ähnlich waren. Zusätzliche Information über die Rolle von PI(4,5)P2 in Pollenschläuchen konnte aus Überexpressionsstudien gewonnen werden, in denen Typ A und Typ B PI4P 5-Kinasen jeweils spezifische morphologische Veränderungen in den Pollenschläuchen bewirkten. Starke Überexpression von Typ A Enzymen unterband das polare Wachstum der Pollenschläuche und führte zu einem Anschwellen der Pollenschlauchspitze sowie zu Veränderungen des Zytoskeletts und der Zytoplasmaströmung. Typ B Isoenzyme dagegen führten zu einer massiven Verstärkung der apikalen Exozytose von Pektin, was zu verzweigten, aber auch zu deutlich verkürzten Pollenschläuchen mit stark verdickter Pektinzellwand führte. Die Veränderungen der Pollenschlauchmorphologie beruhten auf dem verstärkt synthetisierten PI(4,5)P2 und nicht auf strukturellen Eigenschaften der Enzyme, da die Überexpression inaktiver PI4P 5-Kinasen das Wachstum von Kontrollpollenschläuchen in keiner Weise veränderte. Aufgrund der unterschiedlichen Phänotypen, welche durch die verschiedenen Typen von PI4P 5-Kinasen hervorgerufen wurden, kann davon ausgegangen werden, dass diese beiden Typen von Enzymen weitestgehend unabhängige PI(4,5)P2-Pools generieren, welche auf engem Raum in der apikalen Plasmamembran von Pollenschläuchen unterschiedliche zelluläre Prozesse regulieren, wie zum Beispiel das Zytoskelett und die Pektinsekretion. Die Überexpression einer Phosphatidylinositol 4-Kkinase aus der β-Unterfamilie führte zu ähnlichen Effekten wie die Überexpression von Typ B PI4P 5-Kinasen. Die Koexpression dieser beiden Enzyme zeigte synergisitsche Effekte auf, woraus geschlossen werden kann, dass diese beiden Lipidkinasen in einem gemeinsamen Signalweg die Sekretion von Pektin regulieren.