10. August 2006
La Jolla, Kalifornien – Im Gegensatz zu den drei Musketieren, die nach dem Motto „Alle für einen, einer für alle“ lebten, ziehen Pflanzenhormone es vor, ihr eigenes Ding zu machen. Jahrelang wurde darüber debattiert, ob Signalwege, die durch wachstumsregulierende Pflanzenhormone aktiviert werden, in einem zentralen wachstumsregulierenden Modul zusammenlaufen. Nun wird das Kooperationsmodell von Forschern des Salk Institute for Biological Studies in Frage gestellt. Sie zeigen in der Ausgabe vom 11. August, dass jedes Hormon weitgehend unabhängig wirkt Zelle
Das Salk-Team fand heraus, dass bestimmte Pflanzenhormone oft unterschiedliche Faktoren und nicht ein gemeinsames Ziel aktivieren. „Dieses Ergebnis war völlig unerwartet, da Hormone mit ähnlichen Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum offenbar auf unterschiedliche Gensätze wirken“, sagt der Hauptautor der Studie Joanne Chory, Ph.D., Professor am Plant Biology Laboratory und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.
Pflanzen sind auf Hormone angewiesen, die als chemische Botenstoffe jeden Aspekt ihrer Biologie regulieren. Das Wachstum wird beispielsweise durch mehrere Hormone stimuliert – darunter Brassinosteroide, Auxine und Gibberelline. Die Tatsache, dass diese und mehrere andere Hormone das Pflanzenwachstum stimulieren, ließ einige Forscher vermuten, dass sie letztendlich alle dieselben wachstumsfördernden Gene einschalten.
Um diese Idee zu testen, überprüfte das Chory-Team Daten aus der neuen Gen-Chip-Technologie, bei der Proben fast aller in einer Zelle exprimierten Gene auf einen winzigen Glasobjektträger, einen sogenannten Microarray, aufgetragen und unter verschiedenen physiologischen Bedingungen analysiert werden. Obwohl die Analyse komplex klingt, beantwortet sie eine einfache Frage: Werden nach der Stimulation mit sieben verschiedenen Wachstumshormonen dieselben oder unterschiedliche Gene aktiviert?
Das Teamwork-Modell würde ja vorhersagen, aber Chorys Team kam zu dem anderen Ergebnis. Das haben die Co-Hauptautoren Jennifer L. Nemhauser, Ph.D., eine ehemalige Postdoktorandin in Chorys Labor und jetzt Assistenzprofessorin an der University of Washington in Seattle, und Fangxin Hong, Ph.D., eine Biostatistikerin in Chorys Labor, herausgefunden Jedes der sieben Hormone aktivierte weitgehend sein eigenes Repertoire an Zielgenen. „Wir haben erschreckend wenig Überschneidungen festgestellt“, berichtet Nemhauser.
Die von Chorys Team verwendeten Microarray-Daten wurden im Rahmen eines multinationalen Projekts namens AtGenExpress zur Katalogisierung der Genexpression in der Modellpflanze gesammelt Arabidopsis thaliana, die zur Labormaus der Pflanzenwelt geworden ist. Das Labor von Detlef Weigel, Ph.D., außerordentlicher Professor im Labor für Pflanzenbiologie an der Salk und Professor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, Deutschland, ist einer der produktivsten Anbieter von Mikroarrays Daten für Arabidopsis.
Die Teilnehmer des Projekts senden Ergebnisse aus der Microarray-Analyse ihres Labors Arabidopsis Gene in eine öffentlich zugängliche Datenbank übertragen, in der die Daten von Kollegen geteilt werden, die verschiedene biologische Fragen untersuchen. „Die Daten waren vorhanden, aber niemand hatte die Auswirkungen verschiedener Wachstumshormone auf die Genexpression nebeneinander verglichen“, sagt Nemhauser.
Die von der Chory-Gruppe analysierte Datenmenge war enorm. Die Aktivität von etwa 22,000 Genen, die nach der Behandlung mit den sieben Hormonen jeweils von durchschnittlich 15 Detektoren erkannt wurden, wurde nicht nur einmal, sondern zweimal analysiert, was zu etwa 14 Millionen Datenpunkten führte. „Da wir keine Daten selbst generierten, mussten wir umfangreiche Qualitätskontrollen durchführen, um aussagekräftige Informationen zu extrahieren“, erklärt Hong.
Die Analyse der Salk-Forscher ergab, dass überraschend wenige Gene durch mehrere Hormone aktiviert wurden. Und wenn mehr als ein Hormon tatsächlich ein ähnliches Programm auslöste, etwa die Aktivierung von Genen, die für Proteine namens „Expansine“ kodieren, die pflanzliche Zellwände lockern, um Wachstum zu ermöglichen, stellten die Forscher fest, dass sie verschiedene Mitglieder der Expansin-Genfamilie mobilisierten.
„Die Datenanalyse zeigte, dass es wahrscheinlich komplexe Wechselwirkungen zwischen den Hormonspiegeln gibt“, erklärt Chory, „was darauf hindeutet, dass die Langzeitwirkungen aller Hormonbehandlungen einen ‚Dominoeffekt‘ darstellen, der viele Systeme innerhalb der Pflanze neu startet.“ ”
Die Kombination traditioneller biologischer Ansätze mit computergestützter Analyse wird Pflanzenbiologen der Beantwortung der uralten Frage, wie Pflanzen wachsen, einen Schritt näher bringen, prognostizieren die Salk-Forscher. „Microarrays sind für diejenigen von uns, die sich mit Physiologie und Entwicklung befassen, sehr nützlich. Sie können neue oder fehlende Wechselwirkungen zwischen biologischen Prozessen aufdecken und Kandidaten für direkte Ziele von Transkriptionsfaktoren identifizieren, die die Entwicklung steuern“, sagt Chory.
Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.
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