Rauchsignale: Wie brennende Pflanzen Samen dazu bringen, aus der Asche aufzusteigen

Rauchsignale: Wie brennende Pflanzen Samen dazu bringen, aus der Asche aufzusteigen

Salk-Forscher lösen ein ökologisches Rätsel, wie Rauch und Asche von Waldbränden

LA JOLLA, CA—Im Frühling nach einem Waldbrand explodieren überlebende Bäume in neuem Wachstum und Pflanzen sprießen in Hülle und Fülle aus der verkohlten Erde. Jahrhundertelang war es ein Rätsel, wie Samen, einige schon lange im Boden ruhend, wussten, dass sie sich durch die Asche drücken sollten, um den verbrannten Wald zu regenerieren.

In der Online-Vorabveröffentlichung vom 23. April 2013 des Verhandlungen der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) berichten Wissenschaftler des Salk Institute und der University of California, San Diego, über die Ergebnisse einer Studie, die diese grundlegende Frage des “Kreislaufs des Lebens” in der Pflanzenökologie beantwortet. Ihre Ergebnisse erklären nicht nur, wie Brände zur Regeneration von Wäldern und Graslandschaften führen, sondern können auch bei der Entwicklung von Pflanzensorten helfen, die Ökosysteme erhalten und wiederherstellen, von denen alle menschlichen Gesellschaften abhängig sind.

“Dies ist ein sehr wichtiger und grundlegender Prozess der Ökosystemerneuerung auf der ganzen Welt, den wir wirklich nicht verstanden haben”, erklärt der leitende Co-Untersuchungsleiter Joseph P. Noel, Professor und Direktor des Salk Jack H. Skirball Center für chemische Biologie und Proteomik. “Jetzt kennen wir die molekularen Auslöser dafür, wie es geschieht.”

Noels Co-leitender Ermittler des Projekts, Joanne Chory, Professor und Direktor des Salk Labor für molekulare und zelluläre Pflanzenbiologie, sagt sie, das Team habe den molekularen “Aufwachruf” für verbrannte Wälder gefunden. “Was wir entdeckt haben”, sagt sie, “ist, wie eine sterbende Pflanze eine chemische Botschaft für die nächste Generation erzeugt, die ruhenden Samen sagt, dass es Zeit zum Keimen ist.”

Von links: Joanne Chory, Yongxia Guo, Joseph Noel, Zuyu Zheng und James J. La Clair

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Während kontrollierte Brände heute üblich sind, waren sie vor 50 Jahren nicht üblich. Der US-Nationalparkdienst unterdrückte aktiv Waldbrände, bis sie erkannten, dass diese Praxis den Boden reifer Wälder um wichtige Mineralien und Chemikalien brachte. Dies schuf eine intensiv wettbewerbsorientierte Umgebung, die letztendlich dem gesamten Waldökosystem schadete.

“Als der Yellowstone-Nationalpark 1988 niederbrannte, waren viele der Meinung, er würde nie wieder seine frühere Schönheit zurückgewinnen”, sagt James J. La Clair, Forscher am Department of Chemistry and Biochemistry an der University of California, der an dem Projekt mitgearbeitet hat. “Doch im folgenden Frühjahr, als die Regenfälle einsetzten, gab es inmitten der nährstoffreichen Asche und des verkohlten Bodens eine Fülle blühender Pflanzen.”

In früheren Studien hatten Wissenschaftler entdeckt, dass spezielle Chemikalien, bekannt als Karrikine, entstehen, wenn Bäume und Sträucher bei einem Waldbrand verbrennen und im Boden verbleiben, um die Regeneration des Waldes zu gewährleisten.

Die neue Studie der Salk-Wissenschaftler hatte zum Ziel, genau herauszufinden, wie Karrikine das Pflanzenwachstum anregen. Zuerst bestimmten die Forscher die Struktur eines Pflanzenproteins namens KAI2, das an Karrikin in ruhenden Samen bindet. Durch den Vergleich des Karrikin-gebundenen KAI2-Proteins mit der Struktur eines ungebundenen KAI2-Proteins konnten die Forscher dann spekulieren, wie KAI2 es einem Samen ermöglicht, Karrikin in seiner Umgebung wahrzunehmen.

Die von dem Team aufgeklärten chemischen Strukturen enthüllten laut Yongxia Guo, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Salk Institute, Strukturell-Enzymologin und eine der Hauptforscherinnen der Studie, alle molekularen Kontakte zwischen Karrikin und KAI2. “Aber mehr noch”, so Guo, “wissen wir jetzt auch, dass Karrikin, wenn es an das KAI2-Protein bindet, eine Veränderung seiner Form verursacht.”

Der ebenfalls federführende Wissenschaftler der Studien, Salk-Forschungsmitarbeiter und Pflanzen-Genetiker Zuyu Zheng, sagt, dass diese karrikin-induzierte Formänderung ein neues Signal an andere Proteine in den Samen senden könnte. ’Diese anderen Protein-Akteure“, sagt er, ”erzeugen zusammen mit Karrikin und KAI2 das Signal, das die Keimung der Samen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort nach einem Waldbrand verursacht.“

Guo und Zheng, ein Ehepaar, das als Postdoktoranden in den Laboren von Noel bzw. Chory arbeitet, kamen während eines Abendessens auf die Idee für die Studie. La Clair schloss sich dann der Studie an und trug seine Expertise in Chemie bei.
Während die neuen Erkenntnisse im Arabidopsis, die Wissenschaftler sagen, dass dieselbe Karrikin-KAI2-Regenerationsstrategie zweifellos in vielen Pflanzenarten vorkommt.

“In Pflanzen wurde ein Mitglied dieser Enzymfamilie irgendwie durch natürliche Selektion rekrutiert, um an dieses Molekül in Rauch und Asche zu binden und dieses Signal zu erzeugen”, sagt Noel, Inhaber des Arthur- und-Julie-Woodrow-Lehrstuhls am Salk und Investigator des Howard Hughes Medical Institute. “KAI2 entwickelte sich wahrscheinlich, als Pflanzenökosysteme auf der terrestrischen Erde aufblühten und Feuer zu einem sehr wichtigen Bestandteil von Ökosystemen wurde, um in sterbenden und toten Pflanzen gebundene Nährstoffe freizusetzen.”

Weitere Forschung ist erforderlich, um genau zu verstehen, wie die Formänderung des KAI2-Proteins einen genetischen Signalweg aktiviert, der die Keimung reguliert, sagt Chory, Inhaberin des Howard H. and Maryam R. Newman Chair in Plant Biology und Forscherin am Howard Hughes Medical Institute. “Aber diese Entdeckung ist ein absolut entscheidender Schritt zum Verständnis dieses genetischen Programms und wie sich pflanzliche Ökosysteme, Wälder und Graslandschaften erneuern.”

Die Arbeit wurde unterstützt durch Nationale Gesundheitsinstitute Grants 5R01GM52413 und GM094428, Nationale Wissenschaftsstiftung Auszeichnungen EEC-0813570 und MCB-0645794 und die Howard Hughes Medical Institute.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit führenden Institutionen für Grundlagenforschung, an der international renommierte Fakultätsmitglieder grundlegende Fragen der Biowissenschaften in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld untersuchen. Mit dem Fokus auf Entdeckungen und die Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen leisten Salk-Wissenschaftler bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten durch die Untersuchung von Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie sowie verwandten Disziplinen.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Auszeichnungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polio-Impfstoff-Pionier Dr. Jonas Salk gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.