Leuchtprotein macht Pflanzenwachstum sichtbar

Das Pflanzenhormon Auxin findet sich in pflanzlichen Zellen dort, wo der Organismus wächst – also eine Zellstreckung oder Zellteilung nötig wird. Mit einem neuen Verfahren können Forscher nun erstmals den Transport des Wachstumshormons sichtbar machen und dadurch die pflanzliche Entwicklung präziser beobachten.

Auxine sind pflanzliche Hormone, die diverse Prozesse des Pflanzenwachstums, z. B. die Zellstreckung und Zellteilung regulieren. Damit sind sie wichtige Signalgeber für die pflanzliche Entwicklung. Auxine sind extrem flüchtig. Sie tauchen an den Wachstumszonen von Pflanzenzellen auf, leiten dort über die Aktivierung bestimmter Gene den Wachstumsprozess ein und sind kurz darauf wieder verschwunden.

Bisherige Nachweisverfahren zu langsam für Auxin

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Es gibt bislang wenige Nachweismethoden, die die dynamische Verbreitung und Signalgebung von Auxin während der Wachstumsprozesse in der Zelle erfassen können.

Zum Nachweis von Auxin wird vor allem die Methode DR5-GFP genutzt. Hierbei wird ein Reportergen, das für ein grünes Fluoreszenz-Protein (GFP) kodiert, an den Promotor des Auxin-Gens fusioniert. Wird das so markierte Gen exprimiert, wird auch das Fluoreszenzgen aktiviert. Eine grüne Farbreaktion ist dann sichtbar. Die DR5-GFP Methode ist jedoch nicht besonders sensitiv auf die schnell schwankende Auxinkonzentration in der Zelle, da das GFP ein recht langsamer Reporter ist.

Gelbes Leuchten zeigt Auxin-Verteilung im pflanzlichen Gewebe

Mit einer neuen Visualisierungsmethode ist es Forschern nun gelungen, das flüchtige Signal des pflanzlichen Wachstumshormons mit großer Präzision nachzuweisen. Ähnlich der DR5-GFP-Methode nutzten sie dazu ein Fluoreszenzgen.

Sie entwickelten in Arabidopsis eine schnell reifende Version des gelb fluoreszierenden Proteins DII-VENUS. Das Fluoreszenz-Gen fusionierten sie mit der Auxin-Schnittstelle des Auxin-Repressorproteins AUX/IAA. AUX/IAA ist ein Transkriptionsfaktor, der wichtige Auxin-Promotor-Gene hemmt. AUX/IAA wiederum wird direkt von Auxin kontrolliert. Bindet Auxin an AUX/IAA, hemmt es dessen Genexpression und fördert so indirekt die Expression der Auxin-Promotor-Gene. Durch die Kopplung von DII-VENUS an AUX/IAA wird dieser Prozess sichtbar: Bindet Auxin an AUX/IAA, wird auch DII-VENUS gehemmt. Das gelbe Leuchten des Reportergens erlischt.

In Experimenten untersuchten die Forscher die Auxin-Verteilung im Wurzelgewebe bei der gravitropen Wurzelbewegung, also der Ausrichtung der Wurzel in Richtung Erdanziehung, sowie beim Wurzelwachstum an der Wurzelspitze.

Besonders hoch war die Auxin-Konzentration wie erwartet in Wurzelregionen, an denen es beim Pflanzenwachstum verstärkt zur Zellstreckung und Zellteilung kommt: an der Wurzelspitze sowie in den zentralen Wurzelbereichen der Columella. Die Columella-Zellen können die Richtung der Erdanziehung wahrnehmen (Gravitropismus) und ermöglichen der Pflanze so ein zielgerichtetes Wachstum nach unten. Eine hohe Fluoreszenz in der Epidermis und im Cortex deuteten auf eine hohe Aktivität von AUX/IAA und eine geringere Auxin-Konzentration hin. 

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Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Konzentration von DII-VENUS von Auxin abhängig ist. Je mehr Auxin in der Zelle vorhanden war, desto geringer war die Expression und damit das Leuchten des Reporterproteins. Der Abbau des Leuchtproteins als Reaktion auf Auxin vollzog sich recht schnell. Der Auxin-Signalweg wurde dabei nicht gestört.

Mehr Auxin, mehr Wachstum, mehr Ertrag

Mit Hilfe des schnell, fluoreszierenden Proteins ermöglicht die neue Methode eine dynamische, räumlich-zeitliche Visualisierung der Verteilung des Wachstumshormons Auxin in den Zellen unterschiedlicher Gewebe. So lassen sich Wachstumsprozesse in Pflanzen quasi live beobachten. Ist bekannt, wie genau Auxin und weitere Phytohormone das Pflanzenwachstum beeinflussen, könnte dies helfen, schneller wachsende und robustere Pflanzen zu produzieren und damit den Ertrag der Landwirtschaft langfristig zu steigern bzw. zu sichern.

Weitere Studien müssen die Methode nun validieren und verbessern. Da zum Beispiel einige Wurzelregionen weniger stark auf Auxin regieren, könnte der Auxin-Sensor DII-VENUS die Konzentration des Wachstumshormons unterschätzen. Hier müssten weitere Daten, etwa zur Konzentration weiterer Promotoren und Co-Rezeptoren in die Auxin-Messung einbezogen werden. Eine Interpretation der Fluoreszenzintensität ist zudem erst möglich, wenn bekannt ist, welcher Auxingehalt zu welcher Fluoreszenzintensität führt. Mit In-vitro-Experimenten könnte die Methode sozusagen „kalibriert“ werden.