Forschungsinteressen Prof. Dr. Ulrich Hammes

Der Transport von Hormonen und Metaboliten durch Zellmembranen ist für die Physiologie von Zellen, Geweben und Organen von Pflanzen und Tieren von entscheidender Bedeutung. Eine Vielzahl von Transportproteinen dient dem Transport von Hormonen, Metaboliten, Makro- und Mikronährstoffen und anderen Substraten.

Trotz der Ähnlichkeiten der zugrunde liegenden biophysikalischen Prinzipien zwischen den Transportvorgängen in Pflanzen und Tieren gibt es auch grundlegende Unterschiede. Pflanzen haben beispielsweise ein viel negativeres Membranpotential über die Plasmamembran und damit eine viel höhere Triebkraft für den Transport von Ladungssubstraten. Darüber hinaus sind Symport- oder Antiport-Prozesse entlang der pflanzlichen Plasmamembran an Protonen gekoppelt – und nicht an Natrium wie bei Tieren.

Unser Labor ist daran interessiert, den Transportmechanismus, die biophysikalischen und biochemischen Eigenschaften sowie die Kinetik von Hormon- und Metabolitentransportern aus Pflanzen zu verstehen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf Transportern, die den Transport des Phytohormons Auxin oder von Aminosäuren durch die Plasmamembran oder endogene Membranen katalysieren. Wir nutzen diese Ergebnisse, um den molekularen Mechanismus physiologischer Prozesse zu verstehen, z. B. Wachstumsreaktionen auf Umweltreize (Licht, Schwerkraft) oder die Verteilung von Nährstoffen, vor allem Aminosäuren, in der Pflanze.

Um diese Ziele zu erreichen, verwenden wir eine Kombination aus Flux-Studien unter Verwendung von Xenopus leavis-Oozyten als heterologes Expressionssystem, Elektrophysiologie (Two-Electron-Voltage-Clamp, Solid Supported Membrane-Based Electrophysiology) sowie Pflanzenwachstumstests und Phänotypisierungen.

Unser Ziel ist es, diese Erkenntnisse zu nutzen, um Pflanzen letztlich so zu verbessern, dass sie widerstandsfähiger gegen Stress sind und qualitativ höhere und bessere Erträge liefern.

Bisherige Ergebnisse

• Wir haben die UmamiT-Familie von Aminosäureexporteuren identifiziert und mehrere Mitglieder dieser Familie charakterisiert, um ihre Rolle bei der Aminosäureversorgung von Samen und dem Aminosäurekreislauf zu demonstrieren (Müller et al., 2015, Tegeder und Hammes 2018, The et al., 2023).
• In Zusammenarbeit mit dem Schwechheimer-Labor haben wir gezeigt, dass die PIN-FORMED-Auxinexporter durch Phosphorylierung ihrer zytoplasmatischen Domäne durch mehrere AGCVIII-Kinasen aktiviert werden (Zourelidou et al., 2014, Weller et al., 2017, Marhava et al., 2018).
• Gemeinsam mit der Pedersen-Gruppe von der Aarhus Universität in Dänemark bestimmten wir die erste Struktur und führten eine detaillierte Charakterisierung des Transportmechanismus von PIN8 durch, einem Mitglied der PIN-Familie der Auxintransporter (Ung et al., 2022).

Forschungsziele

• Wir wollen verstehen, wie Aminosäureimporter und -exporter zusammenarbeiten, um Aminosäuren zwischen Trieben, Wurzeln und letztlich den Samen zu verteilen, um die ausreichende Versorgung aller Gewebe mit reduziertem Stickstoff während des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung sicherzustellen.
• Wir wollen Auxintransporter charakterisieren, die den Import von Auxin in Zellen oder durch endogene Membranen katalysieren, um zu verstehen, wie sich die Kompartimentierung von Auxin auf die zytosolischen Auxinspiegel auswirkt, die letztendlich das entscheidende Kriterium für die Erkennung des Hormons durch seinen anschließend steuernden Rezeptor sind Auxin-Reaktionen auf der Transkriptionsebene.
• Wir wollen die Funktionsweise der Substraterkennung in PINs und anderen Auxintransportern verstehen und Aminosäuren identifizieren, die für die Substraterkennung entscheidend sind, um Pflanzen zu erzeugen, die unterschiedliche Reaktionen auf Auxinherbizide zeigen und möglicherweise zu einer neuen Generation neuartiger, umweltfreundlicher Herbizide führen .
• Wir wollen verstehen, wie die einzelnen Domänen der PIN-Auxin-Exporteure zusammenarbeiten, um die individuellen Eigenschaften der Transporter hervorzurufen, um tiefere Einblicke in den molekularen Mechanismus des polaren Auxintransports zu gewinnen.