Molekulare Leiter helfen Pflanzen, auf Trockenheit zu reagieren

Molekulare Leiter helfen Pflanzen, auf Trockenheit zu reagieren

Salk-Wissenschaftler finden wichtige Akteure bei der komplexen Reaktion von Pflanzen auf Stress und liefern Hinweise für den Umgang mit trockeneren Bedingungen

LA JOLLA – Wir können erkennen, wann Pflanzen Wasser brauchen: Ihre Blätter hängen herab und sie sehen trocken aus. Aber was passiert auf molekularer Ebene?

Wissenschaftlern am Salk Institute ist bei der Beantwortung dieser Frage ein großer Schritt nach vorne gelungen, was für die Anpassung der Landwirtschaft an Dürre und andere klimabedingte Stressfaktoren von entscheidender Bedeutung sein könnte.

Die neue Forschung legt nahe, dass Pflanzen angesichts der schwierigen Umweltbedingungen eine kleine Gruppe von Proteinen einsetzen, die als Leiter fungieren, um ihre komplexen Reaktionen auf Stress zu steuern. Die Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 3. November detailliert beschrieben Forschung, kann bei der Entwicklung neuer Technologien zur Optimierung des Wasserverbrauchs in Pflanzen helfen.

„Die Reaktion einer Pflanze auf einen Stressor ist ein hochkomplexer Prozess auf molekularer Ebene, an dem Hunderte von Genen beteiligt sind“, sagt der leitende Autor Josef Ecker, ein Forscher am Howard Hughes Medical Institute, Professor und Direktor des Genomanalyselabors von Salk und Inhaber des Lehrstuhls für Genetik des Salk International Council. „Wir haben wichtige Dirigenten in dieser molekularen Symphonie entdeckt, die möglicherweise Hinweise darauf geben, wie Pflanzen Stressfaktoren wie Dürre angesichts des Klimawandels besser ertragen können.“ Wenn Sie einen dieser Leiter kontrollieren können, kontrollieren Sie alle Gene, die seiner Führung folgen.“

Wie gut eine Pflanze auf Stress reagiert, kann darüber entscheiden, ob sie überlebt und gedeiht oder einer Bedrohung erliegt. So wie Menschen über Hormone wie Adrenalin verfügen, die uns bei der Bewältigung von Bedrohungen helfen, verfügen Pflanzen über einige Schlüsselhormone, die es ihnen ermöglichen, auf Stressfaktoren in ihrer Umgebung zu reagieren. Eines davon ist Abscisinsäure (ABA), ein Pflanzenhormon, das an der Samenentwicklung und der Wasseroptimierung beteiligt ist.

Wenn das Wasser knapp oder der Salzgehalt hoch ist, produzieren Wurzeln und Blätter ABA. Obwohl bekannt ist, dass das Hormon die Stressreaktion einer Pflanze beeinflusst, wissen Wissenschaftler nur sehr wenig darüber, was nach seiner Freisetzung weltweit passiert.

„Nur ein paar Dutzend regulatorische Proteine ​​bestimmen die Expression von Hunderten, wenn nicht Tausenden von Genen“, sagt Liang Song, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Plant Biology Laboratory von Salk und Erstautor der Arbeit. „Indem wir verstehen, was diese Hauptregulatoren sind und wie sie funktionieren, können wir die Stressreaktion besser verstehen und möglicherweise modulieren.“

In ihrer Studie verfolgte das Salk-Team Echtzeitveränderungen der genetischen Aktivität von Pflanzen als Reaktion auf ABA und identifizierte eine Handvoll dieser Masterproteine, die Reaktionen auf eine Vielzahl externer Stressfaktoren, einschließlich Dürre, steuern. Mithilfe einer Technik, die kartiert, wo diese regulatorischen Proteine ​​an die DNA binden, definierte das Team Schlüsselfaktoren, die die Genexpression koordinieren und so eine effiziente zelluläre Reaktion auf sich ändernde Bedingungen ermöglichen.

Das Salk-Team konzentrierte sich auf potenzielle regulatorische Proteine, von denen bekannt ist, dass sie auf ABA reagieren. Sie setzten drei Tage alte Sämlinge der Referenzpflanze frei Arabidopsis thaliana zu Abscisinsäure verabreicht und die Genexpression zu regelmäßigen Zeitpunkten über 60 Stunden überprüft.

Dabei sammelten sie 122 Datensätze mit 33,602 Genen, von denen 3,061 zu mindestens einem Zeitpunkt in unterschiedlichem Ausmaß exprimiert wurden. Die Analyse der Daten ergab eine Hierarchie der Kontrolle, wobei einige regulatorische Proteine ​​als Hauptverantwortliche für die Genexpression eingestuft wurden. Interessanterweise kann eine Momentaufnahme der Proteinbindungsmuster zu einem bestimmten Zeitpunkt die Genexpression über einen langen Zeitraum weitgehend erklären. Zusammengenommen deuten diese Dynamiken auf eine koordinierte genomweite Reaktion auf Umweltauslöser hin.

„Anhand dieser Netzwerkansicht können wir erkennen, dass einige dieser Komponenten von denselben Hauptregulatorproteinen angegriffen werden, was auf eine präzise und koordinierte genetische Kontrolle schließen lässt“, sagt Song. „Dies könnte für landwirtschaftliche Zwecke wichtig sein, da die Regulierung eines Gens wiederum eine ganze Reihe anderer Gene stimulieren oder unterdrücken könnte, was eine umfassende Gestaltung von Interventionen ermöglicht.“

Die Ergebnisse spiegeln diejenigen einer Studie des Ecker-Labors aus dem Jahr 2013 über das Pflanzenhormon Ethylen wider und legen nahe, dass eine solche koordinierte und hierarchische Kontrolle der genetischen Aktivität bei Blütenpflanzen üblich sein könnte.

Weitere Autoren des Artikels sind: Shao-shan Carol Huang, Rosa Castanon, Joseph R. Nery, Huaming Chen, Marina Watanabe und Jerushah Thomas vom Salk Institute; und Aaron Wise und Ziv Bar-Joseph von Carnegie Mellon University.

Die Arbeit wurde gefördert durch die Howard Hughes Medical Institute, der Gordon und Betty Moore Foundation (GBMF 3034), die National Science Foundation (MCB-1024999 und DBI-1356505), die National Institutes of Health (U01 HL122626-01) und durch ein Salk Pioneer Postdoctoral Fellowship. Song wird außerdem durch einen Salk Women & Science Award unterstützt.