Mit Beule und Loch

Das Auxin Indol-3-Essigsäure reguliert zahlreiche Signalwege in Pflanzen. Aus diesem Grund ist es schwierig, seine Wechselwirkung mit bestimmten Rezeptoren und seinen Einfluss auf unterschiedliche Prozesse zu erforschen. Mit modifiziertem Auxin hingegen gelingt das. Dadurch ließen sich in Zukunft fundamentale Fragen der Pflanzenforschung beantworten.

Kaum ein Prozess bei der Entwicklung von Pflanzen kommt ohne das Phytohormon Auxin Indol-3-Essigsäure (IAA) aus. Es hilft Sonnenblumen dabei, ihre Blüten nach der Sonne zu drehen, es lenkt das Wurzelwachstum nach unten und unterstützt die Reifung von Früchten. Jede Zelle in der Pflanze ist dazu in der Lage, Auxin herzustellen und auf die Anwesenheit von Auxin zu reagieren. Diese Ubiquität des Pflanzenhormons ist es, die den Pflanzenforscher zu schaffen macht.

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Denn wenn man Pflanzen oder bestimmten Pflanzenorganen mehr oder weniger Auxin zur Verfügung stellt, verändern sich dadurch gleich eine Vielzahl von Prozessen. Doch mit einem leicht veränderten, künstlich hergestellten Auxin und einem ebenfalls modifizierten Rezeptor gelingt es, einzelne Funktionen des Tausendsassa-Hormons aufzuklären.

Auxin und Rezeptor verändern

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat sich dazu der sogenannten „bump-and-hole“-Strategie bedient. Auf Deutsch also in etwa: „Beule-und-Loch-Strategie“. Sie stellten dafür ein modifiziertes Auxin her, das zusätzlich ein Aryl-Ring trägt. Aber auch der Auxin-Rezeptor TIR1 wurde verändert. Hier ersetzten sie die große Aminosäure Phenylalanin an Position 79 mit einem viel kleineren Glycin. Dadurch wurde die Bindungstasche des Rezeptors etwas erweitert, es entstand ein „Loch“.

Die „ausgebeulte“ Auxin-Variante namens cvxIAA (kurz für: konvexes IAA) passte nun nicht mehr in den natürlichen TIR1-Rezeptor, bindet aber exzellent an den modifizierten ccvTIR1 (kurz für: konkaver TIR1). „Das ist ein sehr eleganter Ansatz“, so die Meinung von Auxinforscher Professor Klaus Palme von der Universität Freiburg, der selbst nicht an der Studie beteiligt war.

Das Prinzip hilft bei der Funktionsaufklärung

Mit dieser Anordnung konnten die Wissenschaftler zeigen, dass TIR1 tatsächlich für das schnelle Längenwachstum von Keimlingen verantwortlich ist. Dafür brachten sie den modifizierten Rezeptor in die Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein. Als sie dann das „ausgebeulte“ IAA hinzugaben, zeigten die Keimlinge das gleiche, schnelle Längenwachstum wie herkömmliche Keimlinge bei der Zugabe von normalem IAA.

Mit diesem System lassen sich jetzt auch ganz andere Funktionen des Pflanzenhormons erforschen. „Vor allem für Grundlagenforscher wird dieser Ansatz nützlich sein“, erklärt Palme. Denn die Position F79 ist in den Rezeptoren der TIR1/AFB-Familie hochkonserviert und findet sich selbst in so alten Pflanzengattungen wie Moosen und Lebermoosen. Das bedeutet, dass auch andere Mitglieder dieser Rezeptorfamilie mit genau dem gleichen Schema analysiert werden können.

In der bisherigen Versuchsanordnung wird der modifizierte Rezeptor konstitutiv exprimiert - also ständig und gleichmäßig, ohne Regulation durch den pflanzlichen Stoffwechsel. „Noch besser wäre es, wenn der manipulierte Rezeptor naturidentisch exprimiert werden würde“, sagt Palme. „Dann ließen sich auch ganz unverfälschte, natürliche Reaktionen beobachten.“