Wissenschaftler identifizieren Tausende von Pflanzengenen, die durch Ethylengas aktiviert werden

Wissenschaftler identifizieren Tausende von Pflanzengenen, die durch Ethylengas aktiviert werden

Die Entdeckung des von Salk geleiteten Teams könnte zu besseren Möglichkeiten zur Kontrolle des Wachstums und der Reifung landwirtschaftlicher Pflanzen führen

LA JOLLA, CA – Es ist allgemein bekannt, dass ein fauler Apfel in einem Fass alle anderen Äpfel verdirbt und dass ein Apfel eine grüne Banane reifen lässt, wenn man sie in eine Papiertüte steckt. Wie die Bibel bezeugen kann, gibt es seit Tausenden von Jahren Möglichkeiten, Früchte zu reifen oder zu verderben, doch jetzt wurden die Gene enthüllt, die diesen Naturphänomenen zugrunde liegen.

Im Online-Journal eLIFE, hat eine große internationale Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Forschern des Salk Institute for Biological Studies die Tausenden von Genen in einer Pflanze aufgespürt, die aktiviert werden, sobald Ethylen, ein Gas, das als Pflanzenwachstumshormon fungiert, freigesetzt wird.

Diese Studie, die erste derart umfassende genomische Analyse des biologischen Auslösers von Ethylen, könnte zu wirkungsvollen praktischen Anwendungen führen, sagen die Forscher. Ethylen trägt nicht nur zur Reifung von Früchten bei, es reguliert auch das Wachstum und trägt neben einer Vielzahl anderer Funktionen zur Abwehr von Krankheitserregern bei.

Das Herausfiltern der spezifischen Gene, die jede dieser einzelnen Funktionen ausführen, aus den vielen Genen, die nachweislich durch Ethylen aktiviert werden, könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, Pflanzenstämme zu produzieren, die das Wachstum bei Bedarf verlangsamen, die Reifung beschleunigen oder verhindern, die Fäulnis verzögern oder Pflanzen resistenter gegen Krankheiten machen , sagt der leitende Ermittler, Joseph R. Ecker, von Salk Labor für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie.

„Da wir nun die Gene kennen, die Ethylen letztendlich aktiviert, können wir die Schlüsselgene und Proteine ​​identifizieren, die an jedem dieser Zweigwege beteiligt sind, und dies könnte uns helfen, die einzelnen Funktionen zu manipulieren, die dieses Hormon reguliert“, sagt Ecker.

Das gasförmige Hormon Ethylen, auch Fruchtreifungshormon genannt, „kommuniziert“ mit vielen anderen Signalwegen zur Steuerung des Pflanzenwachstums über ein Protein namens EIN3. Das Bild zeigt Gennetzwerke für alle wichtigen Biosynthese-, Signal- und Reaktionswege von Pflanzenhormonen und welche Gene das EIN3-Protein „berührt“ (potenziell reguliert).

Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Katherine Chang, Salk Institute for Biological Studies

Allem Anschein nach war es eine Herkulesaufgabe, die genetischen Wege zu entschlüsseln, die Ethylen aktiviert – eine Anstrengung, an der vier Institutionen und 19 Forscher beteiligt waren, von denen viele normalerweise in der Humanbiologie arbeiten. Ecker lud beispielsweise die Expertise des Informatikers Ziv Bar-Joseph von der Carnegie Mellon University, des Transkriptionsexperten Timothy Hughes von der University of Toronto sowie des Computerbiologen Trey Ideker und des Genomikers Bing Ren von der University of California in San Diego ein.

Die Studie stellt auch einen Meilenstein für Ecker dar, der seine Karriere dem Verständnis der Wirkung von pflanzlichem Ethylen gewidmet hat.

„Ich versuche seit mehreren Jahrzehnten zu verstehen, wie ein einfaches Gas – zwei Kohlenstoffatome und vier Wasserstoffatome – so tiefgreifende Veränderungen in einer Pflanze hervorrufen kann“, sagt Ecker. „Jetzt können wir sehen, dass Ethylen durch die Veränderung der Expression eines Proteins kaskadierende Wellen der Genaktivierung erzeugt, die die Biologie der Pflanze tiefgreifend verändern.“

Obwohl die Pflanze, die sie untersucht haben, die ist Arabidopsis thalianaÄhnlich wie Kohl und Senf fungiere Ethylen als Schlüsselhormon in allen Pflanzen, fügt er hinzu.

Die Forscher untersuchten, was passiert Arabidopsis nachdem Ethylengas die Aktivierung von EIN3 verursacht, einem Master-Transkriptionsfaktor – einem Protein, das die Genexpression steuert –, das Ecker 1997 entdeckt und kloniert hatte. EIN3 und ein verwandtes Protein, EIL1, sind für die Reaktion auf Ethylengas erforderlich; Ohne diese Proteine ​​hat Ethylen keine Wirkung auf die Pflanze.

„Wir wollten wissen, wie Ethylen tatsächlich seine Aufgabe erfüllt“, sagt Ecker. „Was passiert, wenn die Pflanze auf Ethylen mit der Aktivierung von EIN3 reagiert? Welche Gene sind aktiviert? Und was machen diese Gene?“

Mithilfe einer als ChIP-Seq bekannten Technik stellten die Forscher dies dar Arabidopsis an Ethylen und identifizierte alle Regionen des Pflanzengenoms, die an EIN3 banden, was eine Sequenzierung der nächsten Generation erforderte. Anschließend verwendeten sie eine genomweite mRNA-Sequenzierung, um die Zielgene zu identifizieren, deren Expression sich aufgrund der Interaktion mit EIN3 tatsächlich ändert. „Nicht alle Gene, auf die EIN3 abzielt, weisen Veränderungen in ihrer Genexpression auf“, sagt Ecker.

Sie fanden heraus, dass Tausende von Genen in der Pflanze auf EIN3 reagierten. Dann entdeckten die Ermittler zwei interessante Dinge. Erstens: Wenn EIN3 durch Ethylen aktiviert wird, kontrolliert es wieder die Gene im Signalweg, die ursprünglich zur Aktivierung des EIN3-Transkriptionsfaktors verwendet wurden. „Das zeigt uns, dass ein Werk, das einen wichtigen Hauptregler wie EIN3 herstellt, diesen Produktionsweg unter sehr strenger Kontrolle halten möchte“, sagt Ecker. „Das hatten wir nicht erwartet, und jetzt haben wir eine Strategie, um die genetische Kontrolle anderer Pflanzenhormone zu verstehen.“

Die zweite Entdeckung ist, dass EIN3 auf alle anderen Hormonsignalwege in der Pflanze abzielt. Ecker bietet eine Analogie, um die Gründe dafür zu verstehen: „Stellen Sie sich vor, Sie sind in einem Aufnahmestudio und haben einen dieser Tische vor sich, an denen sich all diese Schalter befinden. Wenn Sie anfangen, die Regler für einen Soundeffekt nach oben zu schieben, drehen Sie den Regler wahrscheinlich für einen anderen Sound nach unten.

„Wenn Ethylen einer Pflanze sagt, dass sie mit dem Wachstum aufhören soll, muss es andere Hormone kontrollieren, die der Pflanze das Signal geben, zu wachsen“, sagt er. „Wir haben herausgefunden, dass etwa die Hälfte der genomischen Ziele des EIN3-Proteins in anderen Hormonsignalwegen zu finden sind.“

Die Kontrolle dieser Hormone durch EIN3 ist sehr komplex und erfolgt in einem 24-Stunden-Zeitraum, in dem vier kaskadierende Wellen der Transkriptionsregulation stattfinden, sagt Ecker.

Er erhält nicht nur Erkenntnisse darüber, wie Ethylen verschiedene Funktionen innerhalb einer Pflanze genetisch steuert, sondern fügt hinzu, dass die Ergebnisse der Studie eine Vorlage für die Entschlüsselung der Wirkungsweise anderer Pflanzenhormone liefern, von denen keines so gut untersucht wurde wie Ethylen.

„Um zu verstehen, wie Pflanzen Hormonreaktionen koordinieren, ist es wichtig zu verstehen, wie sie Wachstum und Entwicklung regulieren, sei es bei der Samenkeimung, der Fruchtreife oder bei der Reaktion auf Dürre, Insekten oder Krankheitserreger“, sagt Katherine Chang, die Erstautorin des Artikels und Forscherin in Eckers Labor. „Auf diese Weise könnte die Kartierung der Zusammenhänge zwischen den Hormonwegen Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben.“

Die Studie wurde durch Zuschüsse des Energieministeriums (DE-FG03-00ER15113, DE-FG02-04ER15517), der National Science Foundation (MCB-0924871), der Canadian Institutes of Health Research (MOP-111007) und der National Science Foundation, Plant finanziert Systems Biology IGERT (DGE-0504645), The Gordon and Betty Moore Foundation (Grant GBMF3034), Gates Millennium Scholarship, National Institutes of Health (1RO1 GM085022), National Institutes of Health, NRSA (F32-HG004830), The Howard Hughes Medical Institute und der National Science Foundation (MCB-1024999).

Zu den Co-Autoren gehören: Katherine Noelani Chang, Matthew T. Weirauch, Mattia Pelizzola, Hai Li, Robert J. Schmitz, Mark A. Ulrich, Hong Qiao, Abdullah-Jamali, Shao-Shan Carol Huang, Joseph R. Nery und Huaming Chen , aus Salk; Gary Hon, Dwight Kuo, Trey Ideker und Bing Ren von der University of California, San Diego; und Ally Yang von der University of Toronto.

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.