Was sind DELLA-Proteine?

DELLA-Proteine sind regulatorische Eiweiße, die auf molekularer Ebene das Wachstum der Pflanzen steuern. Sie sind direkte Gegenspieler der als Wachstumshormone bekannten Gibberelline. Pflanzenforschung.de sprach mit Prof. Dr. Claus Schwechheimer von der Technischen Universität München (TUM) über seine Forschung an DELLA-Proteinen und ihre Rolle in der pflanzlichen Stressantwort.

Pflanzenforschung.de: Wofür steht eigentlich das „DELLA“ bei DELLA-Proteinen?

#####1#####

Prof. Schwechheimer: Der Name dieser Proteine leitet sich von fünf Aminosäuren ab, die in einer speziellen Reihenfolge im Protein konserviert sind. Die Buchstaben stehen dabei für die Aminosäuren: D für Asparaginsäure, E für Glutaminsäure, L für Leucin, nochmal L für Leucin und A für Alanin. Nachdem man herausgefunden hatte, dass dieser Bereich wichtige Funktionen für das Protein erfüllt und natürlich auch, weil es sich so leicht aussprechen lässt, war der Name geboren.

Pflanzenforschung.de: Welche Funktion haben DELLAs im pflanzlichen Stoffwechsel?

Prof. Schwechheimer: Die DELLA-Proteine sind von ihrer biologischen Funktion betrachtet Wachstumsrepressoren - sie hemmen also das Wachstum der Pflanzen. Sie sind direkte „Gegenspieler“ der Wachstumshormone aus der Gruppe der Gibberelline (abgekürzt: GA). Man kann es sich so vorstellen, dass Pflanzen in bestimmten Situation ihren Wuchs durch DELLAs stoppen und durch Gibberelline diesen Wachstumsstopp wieder auflösen.

Pflanzenforschung.de: Wie genau spielen DELLAs und Gibberellinsäure zusammen?

Prof. Schwechheimer: Man kann Gibberellinsäure auch als das „Wohlfühlhormon“ bezeichnen: Wenn es einer Pflanze gut geht, wird viel Gibberellinsäure produziert. Das führt wiederum zum Abbau der DELLA-Proteine und zur Aufhebung der Wachstumshemmung. Dieser Vorgang wird dadurch eingeleitet, dass Gibberellinsäure an den Gibberellinsäurerezeptor bindet. Der so aktivierte Rezeptor leitet den Abbau von DELLA-Proteinen ein. Dafür ist die spezifische DELLA-Domäne nötig.

Wenn das DELLA-Protein allerdings eine Mutation in dieser Region aufweist, kann es nicht mehr vom Rezeptor abgebaut werden, da die Erkennungssequenz fehlt. Alle durch GA induzierten Wachstums- und Entwicklungsprozesse kommen dann zum Erliegen.

Pflanzenforschung.de: Doch es gibt nicht immer ein so deutlich sichtbares Zeichen dieser Wechselwirkung?

Prof. Schwechheimer: Auch wenn die gegensätzliche Aktivität von DELLAs und Gibberellinen an der gesamten Pflanze betrachtet für uns immer am augenscheinlichsten ist, so müssen wir uns vorstellen, dass Pflanzen diesen Mechanismus in vielen Entwicklungssituationen - vielleicht nur lokal in ein paar Zellen - ausnutzen, um ihr Wachstum zu koordinieren. Diese gegensätzliche Wirkung muss sich auch nicht immer in die eine oder andere Richtung voll entfalten, sondern wir müssen uns auch Situationen vorstellen, in denen die Regulation nur partiell wirkt.

Pflanzenforschung.de: Wir haben darüber gesprochen, was in der Pflanze vor sich geht, wenn es ihr gut geht. Doch was passiert, wenn es der Pflanze einmal schlecht geht?

Prof. Schwechheimer: Wenn die Pflanze in einer Stresssituation ist - z. B. bei Kälte oder wenn sie auf salzigem Boden wächst - produziert sie weniger GA bzw. dann setzt sie diese Moleküle stärker um. Der GA-Rezeptor ist dann seltener mit GA besetzt und es werden somit auch weniger DELLA-Proteine abgebaut. Die Folge ist, dass die Pflanze aufhört zu wachsen. Eine Stressantwort bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana kann somit in einigen Fällen mit einer höheren Konzentration von DELLA-Proteinen erklärt werden.

#####2#####

Pflanzenforschung.de: Gibt es verschiedene DELLA-Proteine in Pflanzen?

Prof. Schwechheimer: In Nutzpflanzen wie Gerste, Reis oder Tomaten gibt es jeweils nur ein DELLA-Protein. Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) hat hingegen fünf unterschiedliche DELLA-Proteine. Es gibt jedoch viele Hinweise darauf, dass die fünf Arabidopsis-DELLAs das Gleiche machen und nur in unterschiedlichen Geweben aktiv sind. Denn warum sollte es ausgerechnet in Arabidopsis fünf Proteine geben, wenn in anderen, ähnlich komplexen Pflanzen, ein Protein das Gleiche bewerkstelligen kann?

Interessanterweise kennen wir für die DELLA-Proteine inzwischen schon sehr viele Interaktionspartner. Wir haben bisher weit mehr als zehn, wenn nicht sogar 20 Transkriptionsfaktoren mit verschiedenen biologischen Funktionen gefunden, die von DELLA-Proteinen kontrolliert werden. Von daher ist die Wirkung der DELLA-Proteine auf biochemischer Ebene recht komplex. Was hier dann besonders geheimnisvoll ist, ist wie ein DELLA-Protein so viele unterschiedliche Interaktionen und Regulationen in Pflanzen vermitteln kann.

Pflanzenforschung.de: Die Aufklärung der Funktion der DELLA-Proteine ist also noch in ihrem Anfangsstadium?

Prof. Schwechheimer: Ja und nein. Das ist weltweit ein großes Thema. Es gibt sicherlich schon viel, was wir über die DELLAs wissen, aber auch noch viel, was wir über DELLA-Proteine lernen müssen.

Man kann sich die Funktion der zahlreichen DELLA-Wechselwirkungen in der Pflanze so erklären, dass DELLAs in unterschiedlichen Geweben aktiv sind und je nach Zelltyp andere Interaktion stattfinden. Aber prinzipiell ist es noch unklar, ob die DELLA-Proteine nur die bisher ermittelten Transkriptionsfaktoren in ihrer Aktivität hemmen oder, ob sie eine übergeordnete biochemische Funktion haben, die wir noch nicht kennen.

Pflanzenforschung.de: Wie kamen Sie eigentlich dazu, an diesen Proteinen zu forschen?

Prof. Schwechheimer: Mit meinem eigenen Labor forsche ich seit über zehn Jahren an DELLA-Proteinen. Doch den ersten Kontakt mit ihnen hatte ich bereits während meiner Doktorarbeit. Diese schrieb ich am John Innes Centre in Norwich, UK, und hier wurden im Nachbarlabor die DELLA-Proteine entdeckt! Damals wurde dort das erste Gen kloniert, das die DELLA-Domänen-Mutation hatte. Zu der Zeit wusste man allerdings noch nichts über die Konsequenzen dieser Mutation. Es war übrigens auch das erste klonierte Gen aus dem Gibberellin-Signaltransduktionsweg. Das war natürlich sehr spannend.

Pflanzenforschung.de: Was untersuchen Sie aktuell in Bezug auf DELLA-Proteine?

Prof. Schwechheimer: Ich bin unter anderem in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mitgeförderten Projekt „DELLA-STRESS“ involviert, das ich koordiniere. Das Projekt basiert auf der Beobachtung, dass bestimmte Mutationen im Bereich der DELLA-Proteine bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu einem besseren Wachstum und einer höheren Überlebenschance nach abiotischen Stresssituationen führen. Wir untersuchen daher die Rolle der DELLA-Proteine in der abiotischen Stressantwort und das nicht nur im Modellorganismus Arabidopsis, sondern auch in Nutzpflanzen wie Reis und Tomate.

#####3#####

Es wäre natürlich ideal, wenn man die Stresstoleranz und die Hemmung des Wachstums molekular voneinander trennen und damit den Ertrag von Kulturpflanzen bei Stress stabilisieren oder sogar steigern könnte.

Pflanzenforschung.de: Wie gehen Sie hier vor?

Prof. Schwechheimer: Mein Hauptanliegen bei diesem Projekt ist es, eine vergleichende Transkriptomanalyse durchzuführen, um Stress auf der Ebene der Genexpression und unter dem Einfluss von Gibberellinen zu verstehen. Unsere Arbeitsgruppe interessiert, wie Gibberellinsäure in Antwort auf einen abiotischen Stress die Genexpression verändert, denn die Gibberellinsäure-Konzentration bedingt den Abbau der DELLAs.

Das Transkriptom ist natürlich immer nur eine Momentaufnahme. Aber am Beispiel von Salzstress vergleichen wir die Analyseergebnisse von Arabidopsis thaliana mit Reis und Tomate. Die Frage ist, ob all diese Pflanzen das Gleiche machen, wenn sie einen spezifischen Stress erfahren? Schalten sie die gleichen Gene an und aus und welche Rolle spielen die Gibberelline dabei?

In einem anderen Projekt machen wir vergleichbare Analysen, aber hier mit Blick auf Kältestress. Darüber hinaus untersuchen wir die Funktionen von DELLA-Proteinen weiter, indem wir die Wechselwirkung zwischen DELLAs und anderen Transkriptionsfaktoren erforschen.

Pflanzenforschung.de: Haben Sie vielen Dank für das Gespräch!