Haarwuchsmittel für Pflanzenwurzeln

23.06.2011 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wie wachsen Wurzelhaare? - Diese Frage konnten Forscher nun beantworten. (Quelle: © iStockphoto.com/ Dale Smith)
Wie wachsen Wurzelhaare? - Diese Frage konnten Forscher nun beantworten. (Quelle: © iStockphoto.com/ Dale Smith)

Forscher entschlüsseln den Mechanismus, der es der pflanzlichen Zellwand ermöglicht, Wurzelhaare zu bilden. Die Härchen sind wesentlich für die Nährstoffversorgung.

Die Wurzeln der meisten Pflanzen sind dicht besetzt mit feinen Härchen, die aus einer einzigen Zelle bestehen. Diese Zellen sind auf die Nährstoffaufnahme spezialisiert und bilden ihre Struktur aus, indem sie sich an der Spitze stetig verlängern. Wie genau dieses Gerüst aus Polysacchariden und Glykoproteinen jedoch wächst, war bislang unklar.

In „Science“ berichtet jetzt ein internationales Forscherteam um José Estevez, dass für den Zusammenbau der wachsenden Zellwand die korrekte O-Glykosylierung von Extensinen maßgeblich ist. Vereinfacht gesagt: Das Anhängen von Zuckermolekülen an bestimmte, stäbchenförmige Glykoproteine muss stimmen. Der Vorgang der Glykosylierung zählt zu den wichtigsten posttranslationalen Veränderungen von Proteinen.

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Das Eiweiß Prolyl-4-Hhydroxylase (P4H) definiert den Glycosylierungsort (Bild unten Mitte) und die Menge der glycosylierten Proteine in den Wurzelhaaren. Das P4H-Proteine definiert die Länge der Wurzelhaare und damit die verfügbare Oberfläche zur Nährstoff- und Wasseraufnahme einer Pflanze. Die Abbildungen oben zeigen eine das P4H-Protein normal exprimierende Pflanze (oben links), eine überexprimierende Pflanze (Mitte) und eine in der Expression inhibierte Pflanze (Bild rechts). Je nach Expressionsgrad bilden sich unterschiedlich lange Wurzelhaare heraus. Die Abbildungen unten zeigen die Lokalisierung von P4H nach Fusion mit einem grün fluoresszierenden Protein (GFP) in der Wurzelhaarzelle im ER bzw. Golgi-Apparat. Das Bild rechts zeigt eine 3D-Animation von P4H mit seinem Substrat an Zellwandproteinen (in gelb).

Das Eiweiß Prolyl-4-Hhydroxylase (P4H) definiert den Glycosylierungsort (Bild unten Mitte) und die Menge der glycosylierten Proteine in den Wurzelhaaren. Das P4H-Proteine definiert die Länge der Wurzelhaare und damit die verfügbare Oberfläche zur Nährstoff- und Wasseraufnahme einer Pflanze. Die Abbildungen oben zeigen eine das P4H-Protein normal exprimierende Pflanze (oben links), eine überexprimierende Pflanze (Mitte) und eine in der Expression inhibierte Pflanze (Bild rechts). Je nach Expressionsgrad bilden sich unterschiedlich lange Wurzelhaare heraus. Die Abbildungen unten zeigen die Lokalisierung von P4H nach Fusion mit einem grün fluoresszierenden Protein (GFP) in der Wurzelhaarzelle im ER bzw. Golgi-Apparat. Das Bild rechts zeigt eine 3D-Animation von P4H mit seinem Substrat an Zellwandproteinen (in gelb).

Bildquelle: Velazquez et al. 2011

Schon länger ist bekannt, dass Glykosylierungsmuster eine wichtige Rolle in biologischen Signalprozessen spielen. Die Forscher konnten nun für die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) aufzeigen, dass drei Gene der AtP4H-Familie dafür sorgen, dass das Zellwandgerüst aus Extensinen seine richtige Form erhält und dadurch das Längenwachstum der Wurzelhaare ermöglicht. Schalteten die Forscher eines der Gene aus, erreichten die Wurzelhaare nicht ihre normale Länge und wuchsen im Fall von einem der drei Gene auch langsamer. Steigerten die Forscher hingegen die Produktion der in den drei Genen kodierten Proteine, verdoppelte sich die Länge der Wurzelhaare.

In einer genomweiten Expressionsanalyse fand das Team zudem zwei Glykosyltransferasen, die mit zwei der zuvor identifizierten Proteine koexprimiert werden. Schalteten die Forscher diese Enzyme aus, bildete die Ackerschmalwand ebenfalls verkürzte Wurzelhaare aus. Ähnliches galt für zwei verwandte Enzyme. Die Forscher folgern daraus, dass zunächst die P4H-Proteine die Extensine hydroxylieren und danach die anderen vier Enzyme die Extensine arabinosylieren, also ein Zuckermolekül anhängen, und die Proteine so zu vollwertigen Zellwandbausteinen machen. Die so veränderten Extensine vernetzen sich schließlich und ermöglichen so das Längenwachstum der Zellwand und damit der Zelle.

Das hier beschriebene Prinzip hat Einfluss auf die Architektur einer Pflanze. Dadurch bieten sich Ansätze zu deren gezielter Veränderung. Pflanzen mit einer veränderten Wurzelarchitektur könnten z.B. Nährstoffe oder Wasserreserven des Bodens besser erschließen. Weniger Dünger oder das Wachsen in ariden Gebieten, wären möglich. Da die aufgeklärten molekularen Mechanismen des Zellwandwachstums nicht nur für Wurzelhaare gelten dürften, sondern so oder ähnlich auch in anderen pflanzlichen Zellen ablaufen, hat die Entdeckung eine besondere Bedeutung.

Pflanzliche Zellwände sind die größte erneuerbare Ressource der Erde. Sie dienen ebenso als Ausgangsstoff für Biokraftstoffe wie als Grundlage für andere Formen der Bioenergie und der stofflichen Nutzung von Pflanzen, z.B. in der Chemieindustrie. Forscher versuchen über die Modifikation der Zellwandbausteine einen besseren Aufschluss der Biomasse zu realisieren, so dass z.B. bei der Erzeugung von Biokraftstoffen oder Rohstoffen für die Chemie weniger Energie benötigt wird.

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