Neue Erkenntnisse, wie Pflanzen Hormone räumlich regulieren
Pflanzenhormone, die sogenannten Phytohormone(öffnet in neuem Fenster), bilden eine Gruppe strukturell ganz verschiedener, kleiner, organischer Moleküle, die in geringen Konzentrationen von den Pflanzen produziert werden. Typischerweise beeinflussen sie die Genexpression und -transkription sowie unterstützen sie die Regulierung von Entwicklung und Wachstum. Ursprünglich wurden die Phytohormone in fünf Klassen unterteilt: Abscisinsäure, Auxine, Gibberelline, Cytokinine und Ethylen. Später wurde diese Liste um die Brassinosteroide, Jasmonate, Salicylsäure und Strigolactone erweitert. Lange schon ist bekannt, dass Pflanzen auf einen komplexen Mechanismus zurückgreifen, um Auxine(öffnet in neuem Fenster) räumlich zu regulieren, wobei die Fähigkeit, ein Hormon aktiv an bestimmte Orte zu transportieren, für Pflanzen einzigartig ist. Während angenommen wurde, dass die räumliche Regulierung nur für Auxine gilt, war gleichermaßen bekannt, dass sich viele Hormone innerhalb der Pflanzen bewegen können. Das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierte Projekt GAtransport sollte herausfinden, ob die räumliche Regulierung auch für andere Hormone gilt, wobei die sich stark von den Auxinen unterscheidenden Gibberelline(öffnet in neuem Fenster) den Schwerpunkt bildeten.
Welche Rolle spielen die Proteine?
„Unsere Annahme war, dass dann, wenn wir eine aktive räumliche Regulierung für die Gibberelline bestätigen können, andere Hormone, eher in Richtung der Auxine, möglicherweise ähnlich reguliert werden und unsere Ansätze auch bei diesen zum Einsatz kommen könnten“, erklärt Roy Weinstain(öffnet in neuem Fenster), Projektkoordinator von der Universität Tel Aviv(öffnet in neuem Fenster), an der das Projekt angesiedelt ist. GAtransport hat demonstriert, dass Pflanzen tatsächlich Gibberelline räumlich regulieren. Zudem haben die Instrumente des Teams unter anderem bereits zu ersten Entdeckungen von Proteinen geführt, die Gibberelline in den Pflanzen transportieren, wobei Messungen der Geschwindigkeit der Hormonbewegung in den Wurzeln lebender Pflanzen sowie ihrer Bahnen vorgenommen wurden.
Aus Molekülperspektive
Eine der Herausforderungen bei der Erforschung der Hormonregulierung bei Pflanzen besteht darin, dass die Funktion der Gene nur durch genetisches Screening zu ermitteln ist. Die sogenannte funktionelle Redundanz erschwert dies, da die Manipulation eines einzelnen Gens keinen neuen Phänotyp ergibt, da andere Gene mit vergleichbaren Funktionen die verlorengegangene Aktivität ausgleichen. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelte GAtransport Instrumente zur direkten Überwachung und Manipulation des Gibberellin-Moleküls. Das Team erarbeitete fluoreszenzmarkierte Versionen des Hormons unter Beibehaltung ihrer natürlichen biologischen Aktivität, sodass sie in Echtzeit in der Pflanze visualisiert werden können. Somit wurden spezifische Zellen, in denen sich das Hormon anreichert, sowie die verantwortlichen Transportproteine bestimmt. Außerdem wurden zwei Verfahren entwickelt, um den Ort der Bildung des Hormons zu manipulieren, um seine Bewegung von diesen Orten aus, ebenso wie seine Bahn und Kinetik zu beobachten. Diese Instrumente können in Hinsicht auf die Erforschung weiterer Pflanzenhormone erweitert werden. Beispielsweise diente die Fluoreszenzmarkierung auch der Untersuchung des Transports von Abscisinsäure, und anhand neu erschaffener chemisch-biologischer Ansätze wurden Hormone in ganzen, lebenden Pflanzen auf Zellebene manipuliert. „Diese Ansätze bringen Licht in den Transport von Hormonen und ihre Funktion, und das mit bislang noch nie erreichter räumlich-zeitlicher Auflösung. So kommen wir dem Verständnis der Funktionsweise von Pflanzenhormonen auf Zellebene einen Schritt näher“, sagt Weinstain.
Ein potenziell weitreichender Nutzen
Pflanzenhormone werden im Gartenbau und in der Landwirtschaft in starkem Maße eingesetzt, angefangen bei Herbiziden bis hin zur Wachstumssteuerung der Blütezeit und der Reifung der Früchte. Den Transport von Hormonen zu manipulieren, könnte weiteren Innovationen auf diesem Gebiet das Tor öffnen, und zwar auf eine noch umweltfreundlichere Weise. „Da andere Organismen nicht über diesen Mechanismus verfügen, dürfte eine Beeinflussung des Hormontransports einer Pflanze weniger toxisch als die gegenwärtig üblichen chemischen Behandlungen sein, was die Umwelt weniger belastet“, fügt Weinstain hinzu. Die von GAtransport bereitgestellten fluoreszenzmarkierten Gibberelline kommen bereits in Forschungslabors in aller Welt zum Einsatz. Das Team entwickelt seine Verfahren zur Hormonmanipulation weiter sowie charakterisiert die als Gibberellin-Transporter identifizierten Proteine genauer. Gleichzeitig arbeitet es daran, den Zusammenhang zwischen der Regulierung des Gibberellin-Transports und seinem Signalisierungsmuster zu finden.
Schlüsselbegriffe
GAtransport, Hormon, Pflanze, Gen, Fluoreszenzmarkierung, Auxin, Gibberellin, Molekül
