Cytokinin gibt Auxin die Richtung vor

Das Pflanzenhormon Cytokinin reguliert nicht nur die Menge des Auxintransports, sondern auch dessen Richtung. Wie eine neue Studie zeigt, verstärkt es lokal den Abbau von Auxintransportern. Durch diesen neuentdeckten Mechanismus steuert das Hormon nicht nur das Wachstum, sondern auch die Richtung in welche Pflanzenorgane wachsen.

Charles Darwin hat sich bei weitem nicht nur mit Evolution beschäftigt. Er untersuchte schon 1881, warum Pflanzen zum Licht wachsen und war damit dem Pflanzenhormon Auxin auf der Spur, lange bevor es entdeckt wurde. Auch heute, über hundert Jahre nach Darwins ersten Experimenten, sind Wissenschaftler noch immer eifrig dabei, herauszufinden, wie Auxin seine vielfältigen Wirkungen entfaltet.

Auxin, dessen Name sich vom griechischen Wort für „wachsen“ ableitet, ist an verschiedensten Prozessen in Pflanzen beteiligt. Dank Auxin wachsen die Wurzeln nach unten, der Spross nach oben (Gravitropismus) und biegen sich die Pflanzen zum Licht (Phototropismus). Voraussetzung für all diese Prozesse ist, dass das Auxin in den Zellen polar verteilt ist. An einer Seite muss mehr Auxin vorhanden sein als an allen anderen. Dorthin streckt sich die Pflanze.

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Auxintransporter verbleiben nur an bestimmten Seiten der Zelle

Wissenschaftler haben jetzt herausgefunden, dass das Pflanzenhormon Cytokinin nicht nur die Menge, sondern auch die Richtung des Auxinstroms kontrolliert, indem es den Abbau der Auxintransporter PIN1 verstärkt. Wenn die PIN1-Transporter phosphoryliert sind, geschieht ihnen nichts. Sie verbleiben an ihrer Position in der Zellmembran. Tragen die Transporter jedoch keine Phosphatgruppe, werden sie von der Zellmembran entfernt und an einen anderen Ort gebracht oder abgebaut und die Einzelteile recycelt.

„Wir sehen hier zum ersten Mal direkt, dass die Phosphorylierung der PIN-Proteine an der Plasmamembran die Verteilung der PINs an der Plasmamembran reguliert“, erklärt Claus Schwechheimer, Professor für Systembiologie der Pflanzen  an der Technischen Universität München, der an der Studie beteiligt war. Gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam unter Federführung der Universität Gent aus Belgien untersuchte er das Zusammenspiel von Auxinen und Cytokininen bei der Ausbildung von Seitenwurzeln in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. „Unsere Antikörper können spezifisch phosphorylierte PIN binden. Wir konnten also beobachten, wie sich das Protein mit und ohne Phosphatgruppe verhält“, erklärt Schwechheimer das Experiment.

Der Prozess ist selbstorganisierend

Anfangs sind die PIN-Transport an allen Seiten der Pflanzenzelle gleichmäßig verteilt. Kommt Cytokinin dazu, ändert sich das Bild. Die PIN-Proteine werden jetzt fast überall abgebaut und verbleiben lediglich an den Seiten der Zelle, die parallel (periklinal) zur Wachstumsachse der Hauptwurzel liegen. Auxin wird somit von innen nach außen transportiert und die Ausbildung von Seitenwurzeln beginnt.

„Die Hauptwurzel wird bereits im Embryo angelegt und ihre Polarität ist dort klar vorgegeben“, sagt Schwechheimer. Die Hauptwurzel weiß quasi immer, wo relativ zur restlichen Pflanze unten ist. Dahin transportiert sie das Auxin und fördert deren Wachstum. Im Gegensatz dazu entstehen Seitenwurzeln während des Wurzelwachstums ständig neu und sie müssen erst lernen, das Auxin in Richtung der Seitenwurzelspitze umzuverteilen und dort das Wachstum zu steuern.

Unsere Ergebnisse sind ein zuverlässiger Hinweis darauf, dass die Verteilung von Auxin im Pflanzengewebe ein grundlegender Mechanismus im Gesamtprozess der Organbildung sein könnte“, fasst Schwechheimer zusammen. „Das Fantastische daran ist, dass es ein sich selbst-organisierender Prozess ist. Auxin wird während der Organbildung durch die umverteilten PINs in einem  homogenen Gewebe so umgelenkt, dass lokale Maxima entstehen und das Gewebe sich differenziert.“ Bisher war unbekannt, woher die Pflanzenzelle weiß, in welche Richtung sie wachsen sollte. Jetzt scheint es, als sei die Phosphorylierung das dafür notwendige Signal.