Auxin macht beweglich

Pflanzen wachsen gerichtet und orientieren sich dabei an äußeren Faktoren wie Schwerkraft und Licht. Phototropine heißen die Rezeptoren, die den Lichteinfall wahrnehmen und die Bewegung der Pflanze in Gang setzen. Eine wichtige Rolle spielen dabei eine Gruppe von ungleichen Schwestern sowie das Wachstumshormon Auxin.

Nicht immer wollen Pflanzen gerade nach oben wachsen. Manchmal ist es sinnvoller, sich in die Richtung des stärksten Lichteinfalls zu krümmen. „Diese Krümmung bewerkstelligen Pflanzen, indem sich die Zellen des Stamms auf der dem Licht abgewandten Seite verstärkt strecken“, erklärt Professor Claus Schwechheimer von der von der Technischen Universität München (TUM). Er und sein Team untersuchen schon lange den Auxin-Transport und seinen Einfluss auf die lichtabhängige Bewegung von Pflanzen, den Phototropismus.

Auxinfluss unter Kontrolle

Auxin wird vorrangig in der Sprossspitze produziert und dann nach unten transportiert. Weite Strecken durch die ganze Pflanze hindurch legt es in den Leitbündeln zurück. Bei kurzen Wegen wandert es von Zelle zu Zelle. Dieser Weg ist mühseliger und das Auxin kommt nur mit etwa einem Zentimeter pro Stunde voran, aber auf diese Weise lässt sich seine Verteilung genau steuern.

In die Zelle hinein führen zwei Wege. Entweder über den Auxin-Influx-Carrier, der das Auxin gemeinsam mit zwei Protonen in die Zelle befördert. Oder indem das Auxin durch die Zellwand hindurch diffundiert. Um wieder aus der Zelle herauszukommen braucht das Auxin die Hilfe von PIN-Proteinen. PIN‘s sind eine ganze Genfamilie von Auxin-Efflux-Carriern, welche für den gerichteten Auxin Transport verantwortlich sind. Sie sorgen dafür, dass das Auxin nur in einer Richtung weitertransportiert wird und sich an bestimmten Stellen der Pflanzen konzentriert. Der Name PIN leitet sich von englischen Wort Nadel ab. PIN-Mutanten besitzen deformiert, nadelähnliche Blätter. Diese Proteine befinden sich nur in bestimmten Bereichen der Zellwand und dirigieren so, an welchen Stellen das Auxin die Zelle verlassen kann.

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Ist Auxin tatsächlich am Phototropismus beteiligt?

Dass die PIN-Proteine nicht alleine arbeiten, fiel Schwechheimer bereits 2009 auf. Damals identifizierten er und seine Mitarbeiter in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana eine bis dahin unbekannte Familie von Proteinkinasen, sich immer in der Nähe der PIN-Proteine aufhält. „Proteinkinasen regulieren wie Kippschalter die Aktivität anderer Proteine, indem sie diese durch Anhängen eines Phosphatrests verändern“, erklärt Schwechheimer. Sie tauften die neue Kinase auf den Namen D6PK und vermuteten, dass sie die PIN-Proteine aktiviert und damit den Auxin-Ausstrom ermöglicht.

Doch erst mit den jetzigen Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass die Regulation des Auxin-Ausstroms durch D6PK wichtig für den Phototropismus ist. Die Münchner Biologen beobachteten gemeinsam mit Kollegen aus der Schweiz, dass Pflanzen mit Defekten in der Aktivität von PIN- und D6PK-Proteinen nicht mehr auf Lichtreize reagierten. Sie wuchsen stur gerade nach oben und ignorierten die angebotenen Lichtquellen.

Drei ungleiche Schwestern mit verschiedenen Aufgaben

D6PKs sind stark mit anderen Proteinen verwandt, die ebenfalls beim Phototropismus eine Rolle spielen. Trotz ihrer nahen Verwandtschaft handelt es sich um ungleiche Schwestern, denn die Proteine haben ganz unterschiedliche Funktionen. Da wären zum einen die Phototropine, mit denen Arabidopsis das einfallende Licht registriert, zum anderen die PID-Proteine, die hauptsächlich Auxin-Transporter innerhalb der Zellwand verteilen und schließlich D6PK, die diese Transporter aktivieren. „Das ist ein schönes Beispiel dafür, wie im Laufe der Evolution Proteine neue Aufgaben annehmen“, so Schwechheimer.

Doch noch sind längst nicht alle Fragen geklärt. „Uns interessiert vor allen Dingen wie die D6PKs zu den PINs findet. Die PINs sind Proteine, die in der Membran eingebaut  und polar verteilt sind - sie befinden sich also nur an einem Ende der Zelle“, beschreibt Schwechheimer. „Die D6PKs sind lösliche Proteine, gelangen aber irgendwie auch an die Membran und in die Nähe der PINs. Für beide sollte es unterschiedliche und unabhängige Transportwege zur Membran geben.“ Wie die beiden Teile zusammenfinden und warum sie in den meisten Zellen eine basale Polarität haben, ist noch zu klären.