Wie Pflanzen dank stressabbauender Lipide widerstandsfähiger werden
Schwierige Umweltbedingungen schränken die Anbaumöglichkeiten ein und können Ertragseinbußen nach sich ziehen. Da Stressfaktoren wie zum Beispiel Trockenheit und Salz Veränderungen in der Pflanzenphysiologie und -biochemie auslösen, hat sich das Verständnis, wie Pflanzen diese erkennen und sich anpassen, als eine dringende Forschungsfrage herauskristallisiert. Als sicher gilt, dass eine Reihe von organischen Verbindungen, die unter der Bezeichnung Lipide bekannt und Teil der Membran einer Pflanzenzelle sind, eine Schlüsselrolle spielen. „Zwei Lipide, Diacylglycerol und Phosphatidsäure, die als essentielle ‚sekundäre Messenger‘(öffnet in neuem Fenster) bekannt sind, lösen physiologische Veränderungen auf der zellulären Ebene einer Pflanze aus“, erklärt Miguel Botella, Koordinator des EU-finanzierten Projekts PLISUS. „Angesichts dieser wichtigen Funktion müssen sie streng reguliert werden, und deshalb wollten wir einige der Schlüsselmechanismen erforschen, die dies ermöglichen.“ Im Rahmen des Projekts sollte die Rolle der Kontaktstellen zwischen den Arbeitseinheiten (Organellen) einer Zelle erforscht werden – insbesondere derjenigen, die sich an der sogenannten Plasmamembran des endoplasmatischen Retikulums befinden, die erwiesenermaßen für die Kommunikation und die Regulierung der zellulären Prozesse von wesentlicher Bedeutung sind. Diese Forschungsarbeit wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) durchgeführt.
Erforschung der Plasmamembran des endoplasmatischen Retikulums
In Pflanzen bilden Zellmembranen zahlreiche Kontaktstellen zwischen den meisten Zellorganellen einschließlich der Plasmamembran, die die Zellen umgibt und sie vor der äußeren Umgebung schützt. Pflanzenzellen haben verschiedene Signalprozesse entwickelt, um vor Stressfaktoren zu warnen und Schutzprozesse auszulösen. Bei der Lipidsignalisierung werden Lipide von der Plasmamembran zur Membran des endoplasmatischen Retikulums transportiert. Eine Proteinfamilie mit der Bezeichnung Synaptotagmine(öffnet in neuem Fenster) ist für diesen Prozess entscheidend wichtig, da sie die Membranen „anbinden“. Frühere Untersuchungen hatten ergeben, dass Synaptotagmine eine als SMP-Domäne bezeichnete Region enthalten, die nachweislich eine Klasse von Lipiden namens Phospholipide(öffnet in neuem Fenster) bindet, was auf den Mechanismus hindeutet, mit dem die Synaptotagminproteine tatsächlich die Lipidsignalgebung regulieren. „Synaptotagminproteine könnten diese Phospholipide von der Plasmamembran zum endoplasmatischen Retikulum transportieren, wo sie modifiziert werden, bevor sie zur Plasmamembran zurückgeschickt werden, um dem Stress entgegenzuwirken“, ergänzt Botella. Um hier mit der Forschung voranzukommen, nutzte das Team die konfokale Mikroskopie, um eine Modellpflanze, die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), zu untersuchen, wobei Wildpflanzen als Kontrollgruppe neben Synaptotagminmutanten verwendet wurden, denen ein nicht funktionierendes Synaptotagminprotein eingefügt wurde. Um zu analysieren, wie die Endozytose – der Prozess, mit dem Zellen regulieren, welche Stoffe in die Zelle hinein- und aus ihr herausgebracht werden – durch Stress beeinflusst wird, wurden die Pflanzen unter Kontrollbedingungen und nach Kältebehandlungen untersucht. Das Team fand heraus, dass die Endozytose in den Mutanten tatsächlich beeinträchtigt wurde, da der Kältestress den Diacylglycerol-Lipidgehalt in der Plasmamembran veränderte. Um weitere Einblicke in diesen Prozess zu gewinnen, wurde im Rahmen des Projekts mithilfe von Transkriptomanalysen nach anderen Genen gesucht, die den Endozytoseprozess steuern könnten. Während innerhalb des Projekts zwar interessante Proteine gefunden wurden, sind dennoch weitere Untersuchungen erforderlich, bevor Schlussfolgerungen gezogen werden können. „In früheren Arbeiten wurde beschrieben, wie Synaptotagmine das Diacylglycerol-Lipid in der Plasmamembran stabil halten(öffnet in neuem Fenster), wenn sie unter Stress stehen. PLISUS verbindet diese Homöostase mit dem endozytischen Prozess“, sagt Botella. „Wir waren überrascht, dass mutierte Synaptotagminkomplexe überhaupt keine Endozytose durchführen können, was darauf hindeutet, dass der Diacylglycerolgehalt an der Plasmamembran ein wesentlicher Regulator dieses Prozesses ist.“
Widerstandsfähigere Anbaukulturen
Die Erkenntnisse von PLISUS tragen zu den Bemühungen bei, die Resistenz von Kulturpflanzen durch selektive Zuchtprogramme oder genetische Manipulation zu verbessern. „Da Wasserknappheit und hoher Salzgehalt die Anbaumöglichkeiten von Nutz- und Gartenbaupflanzen einschränken, könnten unsere Erkenntnisse ganz gezielt in der Praxis zum Einsatz kommen“, erklärt Projektforscher Jose Aznar-Moreno. Da der zugrunde liegende molekulare Mechanismus und die physiologischen Folgen des Zusammenhangs zwischen dem Synaptotagminkomplex und dem endozytischen Signalweg noch unbekannt sind, konzentrieren sich die Forschenden nun auf diesen Bereich.
Schlüsselbegriffe
PLISUS, Pflanze, Salz, Trockenheit, Dürre, Lipid, Stress, Membran, Zelle, Anbaukulturen, Kulturpflanzen, Endozytose
