Die Entdeckung kann dazu beitragen, Pflanzen vor Stressfaktoren zu schützen

Die Entdeckung kann dazu beitragen, Pflanzen vor Stressfaktoren zu schützen

Die Erkenntnisse von Salk über einen wichtigen genetischen Mechanismus bei der Signalübertragung von Pflanzenhormonen könnten dazu beitragen, Nutzpflanzen vor Stress zu schützen und den menschlichen Hunger zu bekämpfen

LA JOLLA, Kalifornien – Wissenschaftler am Salk Institute for Biological Studies haben einen wichtigen genetischen Schalter entdeckt, durch den Pflanzen ihre Reaktion auf Ethylengas steuern, ein natürliches Pflanzenhormon, das vor allem für seine Fähigkeit bekannt ist, Früchte reifen zu lassen, dies aber unter Stressbedingungen kann verursachen welke Blätter, vorzeitiges Altern und Verderb durch Überreife. Die Ergebnisse, die am 30. August in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht wurden, könnten der Schlüssel zur Manipulation des Ethylen-Ein-/Ausschalters von Pflanzen sein, der es ihnen ermöglicht, ein Gleichgewicht zwischen Dürreresistenz und Wachstum herzustellen und so Ernteverluste aufgrund von Dürrebedingungen zu verringern.

„Unter verschiedenen Stressbedingungen – Überschwemmung, Dürre, Kälte, Verletzung oder Krankheitserregerbefall – weist Ethylen die Pflanzen an, sich an diese nachteiligen Veränderungen anzupassen“, sagt der leitende Studienautor Josef Ecker, ein Professor in Salk's Labor für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie und Forscher des Howard Hughes Medical Institute – Gordon and Betty Moore Foundation. „Unsere Studie entdeckte einen entscheidenden Schritt in der Art und Weise, wie Pflanzen Ethylengas „riechen“, was zu besseren Möglichkeiten zur Kontrolle dieser Prozesse in Kulturpflanzen führen könnte.“

Dieses Bild von Pflanzenzellen zeigt EIN2 (rot), ein Protein, das es Pflanzen ermöglicht, ihre Reaktion auf Ethylengas zu steuern, konzentriert im Pflanzenkern (blau umrandet). Salk-Wissenschaftler haben herausgefunden, wie EIN2 es Pflanzen ermöglicht, auf Ethylen zu reagieren, das für die Fruchtreife und ihre Reaktion auf Stress von entscheidender Bedeutung ist.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Hong Qiao, Salk Institute for Biological Studies

Pflanzen spüren oder riechen Ethylen, was in ihren Zellen eine Kaskade von Ereignissen auslöst. Ethylensensoren in den Zellen senden ein Signal an den Zellkern, das zentrale DNA-enthaltende Kompartiment der Zelle, das genetische Programme initiiert, damit die Pflanze entsprechend den Bedingungen, denen sie ausgesetzt ist, Veränderungen vornehmen kann. Wissenschaftler, darunter Ecker und sein Team, haben die Funktionen einer Reihe wichtiger Regulatoren im Ethylen-Signalweg identifiziert, darunter das Protein EIN2 (Ethylen insensitive 2).

Das EIN2-Protein befindet sich im endoplasmatischen Retikulum, dem Teil der Zelle, der den Transport von Proteinen innerhalb der Zelle erleichtert, und spielt eine wesentliche Rolle bei der Ethylensignalisierung. Die Funktion des Proteins bleibt jedoch rätselhaft. Durch eine Vielzahl anspruchsvoller Tests entdeckte Eckers Team einen Mechanismus, durch den die Verarbeitung des EIN2-Proteins im endoplasmatischen Retikulum und die Bewegung von Signalmolekülen in den Zellkern erforderlich sind, um die Ethylenreaktion zu aktivieren.

Das Verständnis des Mechanismus könnte zu neuen Methoden führen, die Pflanzen dabei helfen, unter schwierigen Bedingungen zu gedeihen. Stressbedingungen lösen bei Pflanzen verschiedene negative Reaktionen aus, darunter verwelkte und eingerollte Blätter, vorzeitige Alterung der Blätter, verringerte Photosyntheseeffizienz, Verlust von Chlorophyll, schlechte Bestäubung sowie Blüten-, Frucht- und Samenverlust.

Die schwerste Dürre seit 25 Jahren wirkt sich auf die Ernte in den Vereinigten Staaten aus und birgt das Potenzial, die Einkommen der Landwirte zu vernichten und die Lebensmittelpreise in die Höhe zu treiben. Pflanzenforscher untersuchen Stressbedingungen, um die Pflanzenproduktion zu verbessern, was immer dringlicher wird, da Landwirte auf der ganzen Welt mit Klimaproblemen wie Dürre und extremen Temperaturen konfrontiert sind. Die Eindämmung der Anfälligkeit von Nutzpflanzen gegenüber bestimmten Stressfaktoren könnte zu höheren Erträgen bei Dürreperioden und möglicherweise zu trockenerem Klima führen, um ertragreiche Nutzpflanzen zu fördern und die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren.

„Züchter können sich dafür entscheiden, ihre Pflanzen mit einem Ethyleninhibitor zu besprühen“, sagt Hong Qiao, Postdoktorand in Eckers Labor und Erstautor der Arbeit. „Dadurch wird verhindert, dass die Ethylenrezeptoren der Pflanze Ethylen riechen, was sich auf das Wachstum auswirkt. Ohne den Ethylen-Reaktionsweg würde eine Tomate niemals reifen. Zu viel Ethylen führt dazu, dass die Tomate überreift. Grundlegende Kenntnisse über den genauen Mechanismus, durch den Pflanzen die Reaktion auf Ethylengas steuern, werden daher zu besseren Möglichkeiten führen, diese Prozesse in Kulturpflanzen zu kontrollieren.“

Weitere Forscher der Studie waren Shao-shan Carol Huang, Robert J. Schmitz und Mark A. Urich vom Salk Institute; und Zhouxin Shen und Steven P. Briggs von der University of California, San Diego.

Die Arbeit wurde durch Zuschüsse der gefördert National Science Foundation, der Howard Hughes Medical Institute und den Gordon und Betty Moore Foundation.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.