Pflanzen messen Sauerstoffgehalt in der Umgebung mithilfe eines Proteins
Ob Sie nun Botaniker oder Hobbygärtner sind, Sie werden wissen, dass bei zum häufigem Gießen Ihre Pflanzen eingehen können. Bei Überschwemmung oder Staunässe im Boden können die Pflanzen nicht mehr genug Sauerstoff aufnehmen, den sie für ihre Zellatmung und die Energieproduktion benötigen. Auf diesen Sauerstoffmangelzustand, Hypoxie genannt, reagiert die Pflanze mit der Aktivierung bestimmter Gene. Bisher war jedoch ungeklärt, wie Pflanzen die Sauerstoffkonzentration messen. Forscher in Europa haben ein Protein bestimmt, das die Fähigkeit besitzt, sich an bestimmte DNA-Regionen (Desoxyribonukleinsäure) zu binden, und so die Transkription von Stressantwortgenen zu aktivieren. Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht wurden, könnten zur Verbesserung der Toleranz von Feldfrüchten gegenüber Überschwemmungen führen. In einer Reihe von neuesten Studien wurde festgestellt, wie ein Protein Gene dazu bringen kann, auf die Hypoxie zu reagieren. Dabei löst sich ein Transkriptionsfaktor von der Zellmembran, um sich im Zellkern anzureichern und dort die Expression von Stressantwortgenen zu aktivieren. Wissenschaftlern aus Deutschland, Italien und den Niederlanden zufolge wurde ein Zweig des Ubiquitin-abhängigen N-End-Regel-Pfads zum Proteinabbau bestimmt, der sowohl in Säugetieren als auch in Pflanzen aktiv ist, und bei Arabidopsis thaliana, einer kleinen Blütenpflanze, die häufig als Modellorganismus in der Pflanzenbiologie verwendet, als Mechanismus funktioniert, mit dem die Pflanze den Sauerstoff misst. Die Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen mit einer Überexpression des RAP2.12-Proteins toleranter gegenüber Überschwemmungen sind und sich auch schneller davon erholen. "Ist die Sauerstoffkonzentration niedrig ist, etwa bei einer Überschwemmung, wird RAP2.12 aus der Plasmamembran gelöst und reichert sich im Zellkern an, um die Expression von Genen zur Hypoxie-Akklimatisierung zu aktivieren", schreiben die Autoren in der Zeitschrift. "Unsere Entdeckung eines Mechanismus zur Sauerstoffmessung eröffnet neue Möglichkeiten, die Toleranz von Feldfrüchten gegenüber Überschwemmung zu erhöhen." Im Vordergrund steht die Rolle des N-Terminus des Proteins (dem Anfang der Aminosäurekette). Wird der Anfang dieser Aminosäurekette durch Anfügen oder Abspalten von Aminosäuren verändert, so verschlechtert sich die Reaktion der Pflanze auf Sauerstoffmangel. Normale sauerstoffabhängige Bedingungen erleichtern die Bindung von RAP2.12 an die Zellmembran. Unter Sauerstoffmangel löst sich das Protein von der Membran und reichert sich im Zellkern an, wo es seiner Aufgabe als Transkriptionsfaktor nachkommen und bestimmte Gene aktivieren kann. Die Forscher sagen, dass wenn die Pflanze wieder über eine normale Sauerstoffzufuhr verfügt, RAP2.12 schnell abgebaut wird, um so die Transkription der Stressantwortgene zu stoppen. Sie betonen, dass bei Pflanzen, die ein am N-Terminus modifiziertes RAP2.12 bilden, sich das Protein bereits unter normalen Sauerstoffkonzentrationen im Zellkern aufhält. Das modifizierte Protein reicherte sich bei Sauerstoffmangel dort an, bei Erreichung einer normalen Sauerstoffkonzentration wurde es jedoch nicht wieder abgebaut. Die Rolle der N-End-Regel kommt zu ihrer Entdeckung hinzu. "Gemäß der N-End-Regel bestimmt die erste Aminosäure eines Proteins dessen Lebensdauer", erklärt Mitautor und Teamleiter Joost van Dongen vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Deutschland. "Es gibt stabilisierende und destabilisierende Aminosäuren. Unsere Entdeckung des RAP2.12 als einer Hauptkomponente des Mechanismus zur Sauerstoffmessung in Pflanzen eröffnet interessante Möglichkeiten, um die Toleranz von Feldfrüchten gegenüber Überschwemmungen zu erhöhen." Etwa 10% der Ackerfläche weltweit ist jährlich von zeitweisen Überschwemmungen betroffen.Weitere Informationen finden Sie unter: Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie: http://www-de.mpimp-golm.mpg.de/aktuelles/start/index.html Nature: http://www.nature.com/
Länder
Deutschland, Italien, Niederlande