Neues von Hormontransport und -wirkung

Auxin und Cytokinine gehören zu den bedeutendsten pflanzlichen Hormonen, da sie an zahlreichen Entwicklungs- und Wachstumsprozessen beteiligt sind. Wissenschaftler konnten nun zeigen, wie Cytokinine innerhalb der Pflanze transportiert werden und dass Auxin auch extrazelluläre Signale senden kann.

Hormone steuern maßgeblich das Wachstum einer Pflanze. Die pflanzlichen Botenstoffe werden auch als Phytohormone bezeichnet. Eine große Gruppe dieser Phytohormone bilden die Cytokinine. Zusammen mit anderen Phytohormonen wie beispielsweise Auxin und Umweltreizen wie Licht oder Kälte regulieren sie verschiedene Wachstums- und Differenzierungsvorgänge in der pflanzlichen Entwicklung und Morphogenese. Cytokinine stimulieren vor allem die Zellteilung und fördern das Streckenwachstum von Pflanzen.

Über Transporter Biomasse und Stresstoleranz erhöhen

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All das geschieht, während die Cytokinine von ihrem Ursprungsort, den pflanzlichen Wurzeln, zu anderen Teilen der Pflanze ausschwärmen. Welche Hormone dabei für bestimmte Entwicklungsprozesse verantwortlich sind, ist bereits hinlänglich bekannt. Über die molekularen Mechanismen, die am Transport der Hormone beteiligt sind, wusste man jedoch bisher nur wenig. Wissenschaftler haben nun ein Protein entdeckt, das die Reise der Cytokinine von der Wurzel zu den Trieben ermöglicht. Und dabei handelt es sich nicht nur um reine Grundlagenforschung. Die Wissenschaftler mutmaßen, dass sich über die Cytokininverteilung in der Pflanze deren Biomasse und Stresstoleranz gezielt erhöhen lasse. „Unsere Studie könnte neue Wege aufzeigen, Erträge zu erhöhen und den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren, um nachhaltige Quellen für die bioenergetische Nutzung zu schaffen“, so Studienleiter Chang-Jun Liu vom U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory.

ABC-Transporter: AtABCG14 in Wurzeln besonders aktiv

An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana haben die Wissenschaftler zahlreiche Transportproteine, die sog. ABC-Transporter (ABC = ATP-binding cassette) untersucht. Diese Transporter fungieren als intra- oder interzelluläre Pumpen, die verschiedene Substanzen in oder aus den pflanzlichen Zellen oder deren Organellen befördern. Als die Forscher prüften, welche Gene, die für bestimmte Transporter codieren, in welchen pflanzlichen Geweben abgelesen werden, stießen sie auf ein Gen mit dem kryptischen Namen AtABCG14, das in den Wurzelgefäßen besonders aktiv war.

Mutanten verraten Genfunktion

Um seine Funktion zu klären, untersuchten die Wissenschaftler Pflanzen mit einem defekten AtABCG14 Gen. Ohne das aktive Transportergen waren die Pflanzen in ihrem Wachstum gehemmt, hatten dünnere Stiele und kürzere Hauptwurzeln als die Wildtyp-Pflanzen. Diese strukturellen Veränderungen der Pflanzen wiesen auf einen Cytokininmangel hin. Denn ist das AtABCG14-Gen nicht aktiv, werden die Phytohormone nicht mehr ausreichend von den Wurzeln zu den Trieben transportiert. Die Folge sind Entwicklungsstörungen der Triebe und der Wurzeln. Selbst die Produktion von Chlorophyll, mit dessen Hilfe die Pflanze aus Sonnenlicht Energie gewinnt, war vermindert.

Markierung zeigt genaue Verteilung

Um die Beteiligung des Transporters am Cytokinintransport zu bestätigen, nutzten die Forscher markierte Cytokinine, deren Transport sich in der Pflanze verfolgen ließ. In den Trieben der Wildtyppflanzen fanden die Wissenschaftler eine beträchtliche Menge ihrer markierten Phytohormone wieder, die sie den Pflanzen an den Wurzeln zur Verfügung gestellt hatten. Bei den AtABCG14-Mutanten konnten sie jedoch nur Spuren davon nachweisen, obwohl in den Wurzeln genügend makierte Cytokinine vorhanden waren. Darin sehen sie den Zusammenhang zwischen dem Transporter und dem Cytokinintransport eindeutig nachgewiesen.

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Auxin kann auch extrazellulär

Auch das Phytohormon Auxin, umgangssprachlich als Streckungshormon bezeichnet, fehlt bei nahezu keinem pflanzlichen Entwicklungsprozess. Anders als Cytokinine werden Auxine in den Blättern gebildet und wandern von diesen zu ihren Wirkorten. Auxine greifen in den pflanzlichen Stoffwechsel ein, indem sie die Aktivität von Genen verändern, die als Hauptschalter ganzer Genkaskaden wirken. Damit verändern sie das Ablesemuster dieser Gene. Phyllotaxis, also Blattstellung und Form aber auch das Wachstum hin zum Licht (Phototropismus) wird u.a. durch Auxine beeinflusst.

Eine aktuelle Studie zeigt jedoch, dass Auxine auch anders wirken können. Das Pflanzenhormon kann nicht nur in einer Zelle, sondern offenbar auch von der Zelloberfläche aus Signale senden, ohne dabei das Transkriptom der Zelle zu verändern. Daran ist eine Enzymfamilie mit dem Namen TMK-Rezeptor-like-Kinasen beteiligt, die mit dem Auxin-Bindungsprotein 1 (ABP1) auf der Oberfläche von Zellen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana einen Komplex bildet. ABP1 wurde bereits vor 40 Jahren entdeckt und ist wichtig für die pflanzliche Entwicklung und Morphogenese. Wie es allerdings wirkt, war bisher nicht klar. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass die extrazellulären Auxin-Signale den sogenannten ROP-Signalweg aktivieren, der wiederum das Cytoskelett der Zelle verändert. Derartige extrazelluläre Stoffwechselwege seien an zahlreichen Auxin-gesteuerten Entwicklungsprozessen in Pflanzen beteiligt und bedeutsamer für die pflanzliche Entwicklung als bisher angenommen, so die Wissenschaftler.

Beide Studien zeigen, wie Phytohormone wichtige Wachstums- und damit Ertragsparameter, aber auch die ganze Architektur von Pflanze verändern können. Und sicherlich können sie noch viel mehr.