Das Alleskönner-Hormon

Auxin ist an zahlreichen pflanzlichen Prozessen beteiligt, auch im Zellkern. Unklar war bisher, wie das Hormon dorthin gelangt. Das konnten Wissenschaftler der Universität Freiburg nun aufklären.

Auxin ist der Tausendsassa unter den Phytohormonen. Das strukturell relativ simpel aufgebaute Hormon ist an unzähligen Prozessen in Pflanzen beteiligt – beispielsweise an der Embryonalentwicklung, bei der Organausbildung und bei Reaktionen der Pflanze auf unterschiedliche Umweltbedingungen. Jede pflanzliche Zelle kann Auxin herzustellen und auf Auxin reagieren.

Auxin agiert mit Hilfe von Proteinen

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Bei allen Regulationsprozessen, an denen Auxin beteiligt ist, geschieht das im Zusammenspiel mit bestimmten Proteinen. Dazu gehören:

• Rezeptoren im Zellkern,
• Transkriptionsfaktoren und
• Repressoren.

An Rezeptoren im Zellkern kann Auxin binden und so eine Signalkaskade auslösen. Bindet das Hormon an einen Transkriptionsfaktor, wird ein Gen abgelesen. Beim Binden an einen transkriptionalen Repressor geschieht genau das Gegenteil: Das Gen wird nicht abgelesen.

All diese Prozesse finden im Zellkern statt, denn dort befindet sich ja bekanntlich die meiste DNA der Zelle. Erhöht sich der Auxin-Gehalt im Zellkern, bilden Rezeptoren und Repressoren sogenannte Co-Rezeptor-Komplexe. Dort bindet Auxin an die Repressoren und blockiert sie dadurch. Nun können die Transkriptionsfaktoren mit dem Ablesen der Gene beginnen. Die Auxin-Konzentration im Zellkern spielt daher für das Ablesen vieler Gene eine maßgebliche Rolle. Doch wie gelangt das Hormon an seinen Wirkort, den Zellkern?

Auxin-ähnliche Stoffe helfen bei der Aufklärung

Erst kürzlich berichtete Pflanzenforschung.de von einem künstlichen, auxinähnlichen Molekül, das Wissenschaftlern die Erforschung des äußerst vielschichtigen Auxinstoffwechsels leichter macht. Solche auxinähnlichen Moleküle, die zudem noch fluoreszierten, setzten die Freiburger Forscher zusammen mit Kollegen aus München und Okayama (Japan) in der aktuellen Studie ein. Sie führten diese Moleküle in einzelne Zellen ein und konnten dann verfolgen, wo sich die Ersatzmoleküle in der Zelle vermehrt ansammelten. Das war vor allem im Endoplasmatischen Retikulum (ER) der Fall. Das flache Röhrensystem der Zelle ist eine Erweiterung der Zellkernmembran und daher direkt mit dem Zellkern verbunden.

Diffundiert Auxin in den Zellkern?

Da Auxin ein sehr kleines Molekül ist, könnte es rein theoretisch einfach durch die Zellkernmembran eindiffundieren. Doch das ließe sich nur schlecht von der Zelle regulieren. Wie genau also gelangt Auxin in den Zellkern? Diese Frage lässt sich bisher nicht eindeutig klären, da es im Moment noch keine Methoden gibt, mit denen sich der Auxin-Transport innerhalb der Zelle messen ließe.

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Die Wissenschaftler entwickelten daher einen theoretisch-experimentellen Ansatz. Dazu entwickelten sie ein Messverfahren für Auxin im Zellkern und kombinierten Mikroskopie-Techniken mit einer quantitativen Datenanalyse sowie einer mathematischen Modellierung. Sie beobachteten, wie einzelne Pflanzenzellen auf das zeitlich abgestufte Einbringen von Auxin reagieren und stellten fest, dass Auxin im Endoplasmatischen Retikulum (ER) angereichert und gespeichert wird.

Endoplasmatisches Retikulum könnte Hormon-Umschlagplatz sein

Aus ihren Ergebnissen folgerten sie, dass es sich beim Auxin-Fluss aus dem ER in den Kern um einen bedeutenden Signalweg innerhalb der Zelle handelt. „Dabei dient das Endoplasmatische Retikulum als Vorratsbecken für Auxin“, erklärt Studienleiter Klaus Palme von der Universität Freiburg. Dieser Weg reguliert offenbar sehr genau den Auxin-Gehalt im Zellkern. Die Forscher vermuten, dass das ER ein wahrer Hormon-Umschlagplatz sein könnte, an oder in dem sich zahlreiche Hormon-Transporter, -Rezeptoren und regulatorische Enzyme befinden. Dort könnte neben Auxin auch der wichtige Botenstoff Cytokinin reguliert werden, sowie weitere Hormone, die sich teilweise auch gegenseitig beeinflussen.  

Wie genau nun Auxin aus dem ER in den Zellkern gelangt und der Auxin-Gehalt im Zellkern reguliert ist, wollen die Wissenschaftler in weiteren Arbeiten aufklären.