Auxin-Regulation beim Schattenvermeidungssyndrom aufgeklärt

Werden Pflanzen von anderen überwachsen, bilden sie schnell lange Triebe Richtung Sonne. Das Protein PIN3 steuert diese Reaktion maßgeblich.

Pflanzen beziehen ihre Energie aus der Photosynthese. In Bereichen dichter Vegetation herrscht deshalb ein kontinuierlicher Kampf ums Licht. Werden Pflanzen von anderen überwachsen, bilden sie schneller längere Triebe aus und recken ihre Blätter zur Sonne. Die molekularen Grundlagen dieses Schattenvermeidungssyndroms waren bislang ungeklärt. Forscher aus Utrecht und Bochum konnten jetzt einen Steuerungsweg aufklären: Das Pflanzenhormon Auxin, das bei dem Anpassungsprozess eine wichtige Rolle spielt, sammelt sich dank des speziellen Exportproteins PIN3 in den äußeren Zellschichten der Pflanze an, die somit schneller wachsen, berichten die Forscher in Proceedings of the National Academy of Science.

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Der Photosynthesefarbstoff Chlorophyll in den Blättern absorbiert die Blau- und Hellrotanteile des Lichts und lässt nur Dunkelrotlicht passieren. Im Laubschatten verschiebt sich das Verhältnis von Hellrot zu Dunkelrot maßgeblich. Bemerkt die Pflanze eine solche Verschiebung durch entsprechende Lichtrezeptoren, startet sie eine Reihe von Anpassungen, die Pflanzenforscher als Schattenvermeidungssyndrom bezeichnen. Dazu zählen ein beschleunigtes Sprosswachstum und eine Aufwärtsbewegung der Blätter, die sogenannte Hyponastie.

Höhere Pflanzen produzieren eine ganze Reihe von verschiedenen Phytohormonen, kleinen Signalmolekülen, die Wachstums- und Differenzierungsprozesse regulieren. Eine besondere Rolle spielen die Auxine, die zu den bekanntesten pflanzlichen Wachstumsfaktoren gehören und ein sehr breites Wirkspektrum haben. Sie sind an nahezu allen pflanzlichen Wachstumsprozessen maßgeblich beteiligt, so auch an der Schattenvermeidungsreaktion. Der zugrunde liegende Mechanismus war bislang weitgehend ungeklärt.

Einer Gruppe von niederländischen Forschern unter der Leitung des Ökophysiologen Ronald Pierik aus Utrecht ist es nun gelungen, die Wachstumsvorgänge im Spross beim Schattenvermeidungssyndrom näher zu analysieren. Ein durch ein niedriges Hellrot-Dunkelrot-Verhältnis hervorgerufenes Sprosswachstum bedarf einer intakten Auxin-Wahrnehmungsmaschinerie und ist abhängig von der Ansammlung von Auxin im Spross. Diese Ansammlung wird maßgeblich durch das Auxin-Exportprotein PIN-FORMED 3 (PIN3) gewährleistet. PIN3 wird durch ein niedriges Verhältnis von Hellrot zu Dunkelrot verstärkt gebildet und lagert sich vornehmlich in den seitlichen Wänden von Zellen im Sprossinneren an, genau gesagt an den Lateralwänden der Endodermiszellen. Durch diese Verteilung von PIN3 kommt es zu einem Auxin-Strom in Richtung der epidermalen Zellschichten, die für das Längenwachstum des Sprosses verantwortlich sind. 

Zeigen konnten die Forscher den beschriebenen Zusammenhang mit massenspektrometrischen Techniken an Wildtypen und gentechnisch hergestellten pin3-Mutanten, die das Exportprotein nicht bilden können. Verschlechterten die Forscher die Lichtverhältnisse, blieb bei den genetisch veränderten Pflanzen ohne PIN3 das Schattenvermeidungssyndrom aus.