Wissenschaftler der Wageningen University & Research und ihre japanischen und spanischen Kollegen haben in Pflanzen einen „Ein/Aus“-Schalter und einen „Lautstärkeregler“ gefunden, die das Pflanzenwachstum steuern. Die Anwendung dieser Entdeckung kann Landwirten dabei helfen, neue Nutzpflanzen zu entwickeln, die beispielsweise resistenter gegen Krankheiten, Dürre oder Überschwemmungen sind. Ihre Ergebnisse wurden in Nature Plants veröffentlicht.
Das Forscherteam hat gezeigt, dass die sehr komplexe Reaktion von Pflanzen auf das Pflanzenhormon Auxin auf ein einfaches Schaltmodell reduziert werden kann. Im Grunde schaltet das Auxin einen Schalter von „aus“ auf „ein“. Gleichzeitig konkurriert ein zweiter Faktor mit diesem „Schalter“ und bestimmt so, wie empfindlich jede Zelle auf das Hormon reagiert. Die vielfältigen Reaktionen einer Pflanze auf Auxin, von der Wurzel bis zur Blüte, werden sozusagen durch den Ein-/Ausschalter und den Lautstärkeregler bestimmt.
Es ist bekannt, dass das kleine Auxinmolekül viele Aspekte des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung steuert, indem es die Aktivität verschiedener Gene verändert. DNA-bindende ARF-Proteine binden an Gene und schalten diese ein oder aus. Es ist das Auxin, das bestimmt, ob die ARF-Proteine aktiv sind oder nicht. Die meisten Pflanzen verfügen über unterschiedliche ARF-Proteine, die dadurch entstanden sind, dass im Laufe der Evolution mehrere Kopien erstellt wurden und sich danach ihre Eigenschaften veränderten. All dies führt zu einem äußerst komplexen Netz von ARF-Proteinen, die unterschiedliche Reaktionen auf ein Hormon hervorrufen können.
Das Team untersuchte die Reaktion auf Auxin im Schirmmoos Marchantia polymorpha. Diese Pflanze verfügt über das einfachste Auxinsystem und wurde von den Forschern zuvor in einer Veröffentlichung in beschrieben eLife, für die Hirotaka Kato und Sumanth Mutte 2019 den Wageningen Research Award erhielten. In dieser neuen Forschung Nature Plants Das Team nutzt die Einfachheit des Marchantia-Reaktionssystems und hat seine Funktionsweise mithilfe einer Kombination aus Genetik und Proteinbiochemie sorgfältig kartiert. Dies enthüllte das einfache System zweier konkurrierender ARF-Proteine, das die Essenz des Auxinsystems bildet.
ARF1-Protein in Marchantia – Der Ein-/Ausschalter ist mit einem fluoreszierenden Protein markiert (Foto: Shubhajit Das)
„Wir glauben, dass unsere Ergebnisse die Art und Weise, wie Forscher die Funktionsweise des wichtigen Auxinhormons betrachten, grundlegend verändern werden“, sagt Dolf Weijers, Leiter des Labors für Biochemie und Leiter des Forschungsteams. „Darüber hinaus eröffnet uns dieser große Wissenssprung darüber, wie Zellen auf das Hormon reagieren, beispiellose Möglichkeiten, die Reaktion von Nutzpflanzen auf das Hormon auf zellulärer Ebene zu beeinflussen. Vermehrung, Wurzelwachstum und viele andere Eigenschaften von Pflanzen hängen von der Reaktion auf Auxin ab.“
Jahrzehntelang glaubte man, dass Blütenpflanzen, darunter auch die Modellpflanze Ackerschmalwand, ein sehr komplexes System von Reaktionsfaktoren nutzen, um Zellen auf unterschiedliche Weise auf dasselbe Hormon reagieren zu lassen. So wachsen einige Zellen, andere teilen sich und wieder andere differenzieren sich. Es wurde auch angenommen, dass dasselbe Hormon die Wurzelentwicklung und Blüte verursacht, je nachdem, wo in der Pflanze die Reaktion auftritt.
Das Forscherteam beschreibt nun, wie sie ein sehr einfaches Prinzip entdeckten, das den komplexen Reaktionen auf das Pflanzenhormon Auxin zugrunde liegt. Es ist wahrscheinlich, dass das gleiche Prinzip auch auf andere Pflanzenarten zutrifft, die große Familien von ARF-Proteinen besitzen. Aktuelle Forschung lehrt uns, wie Pflanzen, einschließlich Nutzpflanzen, auf das Hormon reagieren.
Der Experimentalbiologe Hirotaka Kato, früher an der Universität Wageningen, jetzt an der Universität Kobe, arbeitete bei seiner bahnbrechenden Forschung mit Kollegen am Wageningen Laboratory of Chemistry and Biophysics, dem Alba Synchrotron in Barcelona und der Universität Kyoto zusammen. Die Forschung wurde teilweise durch ein NWO-VICI-Stipendium finanziert, das 2015 an Dolf Weijers vergeben wurde.
Auxin ist ein wichtiges biologisches Pflanzenhormon, das eine entscheidende Rolle für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen spielt. Es wurde
Pflanzenhormone spielen eine entscheidende Rolle beim Wachstum, der Entwicklung und der Reaktion von Pflanzen auf ihre Umwelt. Eins der wichtigsten
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