Forschungsinteressen Dr. Mariana Romeiro Motta

Mechanische Kontrolle der Pflanzenentwicklung

Während der Pflanzenentwicklung müssen Zellteilung, Wachstum und Differenzierung zeitlich und räumlich koordiniert werden, um eine robuste Organbildung zu gewährleisten. Traditionell wurde die Koordination dieser Prozesse mit zellbiologischen, biochemischen und genetischen Ansätzen untersucht. Lange Zeit vernachlässigt wurden mechanische Signale, die jedoch besondere Eigenschaften besitzen und eine wichtige Rolle in der Pflanzenentwicklung spielen. So breiten sich mechanische Signale beispielsweise typischerweise drei bis sechs Größenordnungen schneller aus als biochemische Signale. Zudem sind Pflanzenzellen außergewöhnlich hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die durch den Turgordruck entstehen und durch ihre starren Zellwände ermöglicht werden. Dementsprechend ist die Bedeutung mechanischer Signale für die Orientierung der Ebene der Zellteilung in Pflanzen relativ gut belegt. Trotz der zunehmend erkannten grundlegenden Rolle mechanischer Kräfte in der Pflanzenentwicklung ist jedoch noch weitgehend unklar, wie mechanische Signale in die Regulation des Zellzyklus integriert werden.

Ein zentraler Schwerpunkt meiner Forschung ist zu verstehen, wie mechanische Spannung (Kraft pro Flächeneinheit) in biochemische Signale übersetzt wird, die den Fortschritt des Zellzyklus und die Morphogenese steuern. Insbesondere teste ich die Hypothese, dass Mikrotubuli zentrale Integratoren mechanischer und biochemischer Signale sind. Mikrotubuli sind sowohl für die Zellteilung als auch für gerichtetes Zellwachstum entscheidend und reagieren bekanntermaßen auf mechanische Spannung. Darüber hinaus ist die Organisation der Mikrotubuli eng mit dem Zellzyklus gekoppelt und wurde als abhängig von der Phosphorylierung durch Kinasen beschrieben. Daher könnten Mikrotubuli eine zentrale Schnittstelle zwischen mechanischer Spannung, Kinase-Signalwegen und Morphogenese darstellen. Meine Arbeitsgruppe untersucht, wie mechanische Signale die Kinaseaktivität und die Organisation von Mikrotubuli steuern, um das Pflanzenwachstum zu koordinieren.

Für unsere Untersuchungen verwenden wir Arabidopsis thaliana als Modellsystem und kombinieren kontrollierte mechanische Perturbationen mit Live-Cell-Imaging, genetischen Ansätzen und biophysikalischen Analysen. Unser Ziel ist es, allgemeine Prinzipien der mechanochemischen Regulation zu identifizieren, die es Pflanzen ermöglichen, funktionelle Organe zu bilden und Zellteilung sowie Wachstum an physikalische Herausforderungen anzupassen.

Bisherige Ergebnisse

• Wir konnten zeigen, dass Cyclin-abhängige Kinase–Cyclin-Komplexe mit B-Typ-Cyclinen die Organisation von Mikrotubuli während der Zellteilung kontrollieren, einschließlich der Architektur des Spindelapparats. Auf diese Weise spielen Zellzyklusregulatoren eine zentrale Rolle für eine korrekte Pflanzenentwicklung (Romeiro Motta et al., 2022; 2024).

• Wir konnten zeigen, dass das Mikrotubuli-assoziierte Protein MAP65-1 bevorzugt Mikrotubuli erkennt und stabilisiert, die strukturelle Signaturen mechanischer Spannung tragen. Diese Ergebnisse liefern einen molekularen Mechanismus, durch den mechanische Spannung direkt mit der Organisation von Mikrotubuli gekoppelt werden kann (Romeiro Motta et al., 2025).

Forschungsziele

• Wir möchten verstehen, wie mechanische Spannung den Fortschritt des Zellzyklus beeinflusst. Dazu analysieren wir die Dynamik des Zellzyklus unter definierten mechanischen Perturbationen in lebenden Pflanzengeweben.

• Wir planen, Signalwege zu identifizieren, die mechanische Signale in eine Kontrolle des Zellzyklus übersetzen.

• Darüber hinaus möchten wir bestimmen, wie mechanisch induzierte Phosphorylierung von mikrotubuliassoziierten Proteinen Zellteilung und Wachstum und damit das Gewebewachstum beeinflusst. Letztlich soll diese Arbeit mechanochemische Rückkopplungsschleifen definieren, die eine robuste Morphogenese auf Zell- und Gewebeebene gewährleisten.

Methoden

Konfokales Live-Cell-Imaging mit fluoreszierenden Reportern

Quantitative Bildanalyse zur Verfolgung von Zellzyklusprogression und Mikrotubulidynamik

Mechanische Perturbationen und biophysikalische Messungen

Phosphoproteomik zur Identifizierung mechanosensitiver Signalnetzwerke

In-vitro-Rekonstitution von Mikrotubuli und Kinase-Assays