Wie Pflanzen vor Gefahren warnen

Wie Pflanzen vor Gefahren warnen

Das von Salk-Wissenschaftlern geleitete Team liefert ein detailliertes Bild davon, wie Pflanzenhormone durch Genregulation kommunizieren

LA JOLLA – Genau wie Menschen und andere Tiere haben Pflanzen Hormone. Eine Aufgabe der Pflanzenhormone besteht darin, Probleme wahrzunehmen – sei es ein Insektenbefall, eine Dürre oder starke Hitze oder Kälte – und dann dem Rest der Pflanze ein Signal zu geben, darauf zu reagieren.

Ein multizentrisches Team unter der Leitung aktueller und ehemaliger Forscher des Salk Institute berichtet über neue Details darüber, wie Pflanzen auf ein Hormon namens Jasmonsäure oder Jasmonat reagieren. Die Ergebnisse, die veröffentlicht wurden in Nature Plants am 13. März 2020 offenbaren ein komplexes Kommunikationsnetzwerk. Dieses Wissen könnte Forschern, beispielsweise Mitgliedern von Salk, helfen Initiative Nutzpflanzen, Pflanzen zu entwickeln, die widerstandsfähiger und widerstandsfähiger sind, insbesondere in einer Zeit des schnellen Klimawandels.

„Diese Forschung liefert uns ein wirklich detailliertes Bild davon, wie dieses Hormon, Jasmonsäure, auf vielen verschiedenen Ebenen wirkt“, sagt Professor Josef Ecker, Co-korrespondierender Autor und Forscher des Howard Hughes Medical Institute. „Es ermöglicht uns zu verstehen, wie Umweltinformationen und Entwicklungsinformationen verarbeitet werden und wie sie ein ordnungsgemäßes Wachstum und eine ordnungsgemäße Entwicklung gewährleisten.“

Die in der Studie verwendete Pflanze war Arabidopsis thaliana, eine kleine blühende Pflanze aus der Familie der Senfgewächse. Da ihr Genom gut charakterisiert ist, ist diese Pflanze ein beliebtes Modellsystem. Wissenschaftler können übernehmen, was sie lernen A. thaliana und wenden Sie es auf andere Pflanzen an, auch auf solche, die als Nahrungsmittel angebaut werden. Jasmonsäure kommt nicht nur in vor A. thaliana sondern im gesamten Pflanzenreich.

„Jasmonsäure ist besonders wichtig für die Abwehrreaktion einer Pflanze gegen Pilze und Insekten“, sagt Co-Erstautor Mark Zander, Mitarbeiter in Eckers Labor. „Wir wollten genau verstehen, was passiert, nachdem Jasmonsäure von der Pflanze aufgenommen wurde. Welche Gene werden aktiviert und deaktiviert, welche Proteine ​​werden produziert und welche Faktoren steuern diese gut orchestrierten zellulären Prozesse?“

Die Forscher begannen mit Pflanzensamen, die in Petrischalen gezüchtet wurden. Sie ließen die Samen drei Tage lang im Dunkeln, um die ersten Lebenstage eines Samens nachzuahmen, wenn er sich noch unter der Erde befindet. „Wir wissen, dass diese Wachstumsphase äußerst wichtig ist“, sagt Co-Erstautor und Co-Korrespondenzautor Mathew Lewsey, außerordentlicher Professor an der La Trobe University in Melbourne, Australien, der zuvor in Eckers Labor gearbeitet hat. Die ersten Tage im Boden sind für Setzlinge eine herausfordernde Zeit, da sie Angriffen durch Insekten und Pilze ausgesetzt sind. „Wenn Ihre Samen nicht keimen und nicht erfolgreich aus dem Boden hervorgehen, werden Sie keine Ernte haben“, fügt Lewsey hinzu.

Nach drei Tagen wurden die Pflanzen Jasmonsäure ausgesetzt. Anschließend extrahierten die Forscher die DNA und Proteine ​​aus den Pflanzenzellen und setzten spezifische Antikörper gegen die jeweiligen Proteine ​​ein, um die genaue Position dieser Regulatoren im Genom zu ermitteln. Mithilfe verschiedener rechnerischer Ansätze konnte das Team anschließend Gene identifizieren, die für die Reaktion der Pflanze auf Jasmonsäure und darüber hinaus für die zelluläre Kreuzkommunikation mit anderen pflanzlichen Hormonwegen wichtig sind.

Zwei Gene, die in ihrer Bedeutung im gesamten System an die Spitze gelangten, waren MYC2 und MYC3. Diese Gene kodieren für Proteine, die Transkriptionsfaktoren sind, was bedeutet, dass sie die Aktivität vieler anderer Gene – oder in diesem Fall Tausender anderer Gene – regulieren.

„In der Vergangenheit wurden die MYC-Gene und andere Transkriptionsfaktoren sehr linear untersucht“, erklärt Lewsey. „Wissenschaftler untersuchen, wie ein Gen mit dem nächsten Gen verbunden ist, mit dem nächsten und so weiter. Diese Methode ist von Natur aus langsam, da es viele Gene und viele Verbindungen gibt. Was wir hier getan haben, ist, einen Rahmen zu schaffen, mit dem wir viele Gene gleichzeitig analysieren können.“

„Die Entschlüsselung all dieser Gennetzwerke und Subnetzwerke hilft uns, die Architektur des gesamten Systems zu verstehen“, sagt Zander. „Wir haben jetzt ein sehr umfassendes Bild davon, welche Gene während der Abwehrreaktion einer Pflanze ein- und ausgeschaltet werden. Mit der Verfügbarkeit der CRISPR-Genbearbeitung können solche Details für die Züchtung von Nutzpflanzen nützlich sein, die Schädlingsbefall besser widerstehen können.“

Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt dieser Arbeit ist, dass alle Daten aus der Forschung erfasst wurden verfügbar gemacht auf Salks Website. Forscher können die Website nutzen, um nach weiteren Informationen über die von ihnen untersuchten Gene zu suchen und Wege zu finden, diese gezielt einzusetzen.

Weitere Autoren der Studie waren Anna Bartlett, J. Paola Saldierna Guzmán, Elizabeth Hann, Amber E. Langford, Bruce Jow, Joseph R. Nery und Huaming Chen von Salk; Lingling Yin von der La Trobe University; Natalie M. Clark und Justin W. Walley von der Iowa State University; Aaron Wise und Ziv Bar-Joseph von der Carnegie Mellon University; und Roberto Solano vom Centro Nacional de Biotecnología, Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Madrid, Spanien.

Die Arbeit wurde durch ein Forschungsstipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft und ein EU Marie Curie FP7 International Outgoing Fellowship sowie durch Zuschüsse der National Science Foundation finanziert; die National Institutes of Health (R01GM120316); die Abteilung für chemische Wissenschaften, Geowissenschaften und Biowissenschaften, Office of Basic Energy Sciences des US-Energieministeriums (DE-FG02-04ER15517); die Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF3034); das Ministerium für Wirtschaft (BIO2016-77216-R), Industrie und Wettbewerbsfähigkeit Spaniens; das ISU Plant Sciences Institute; und das Howard Hughes Medical Institute.

DOI: 10.1038/s41477-020-0605-7