Licht an!

Forscher entdecken neue Details zum Zusammenspiel von Licht und der auxininduzierten Genaktivierung, die die periodische Anlage von Seitenwurzeln steuert.

Wurzeln von höheren Pflanzen bilden regelmäßig neue Seitenwurzeln. Die Auxine, eine Gruppe von Pflanzenhormonen, sind dabei maßgeblich beteiligt. Unklar war bisher allerdings, wodurch genau dieser Mechanismus auf molekularer Ebene gesteuert wird. Forscher der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg haben in einer neuen Studie Hinweise auf einen durch Licht gesteuerten Rhythmus in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gefunden.

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Wurzeln wachsen an der Spitze

Neue Anlagen für Seitenwurzeln finden sich normalerweise im Bereich der Spitze der Hauptwurzel. Hier erfolgt eine konstante Neubildung von undifferenzierten, teilungsfähigen (meristematischen) Zellen, die dann in den angrenzenden Bereichen ausdifferenzieren. Dabei kommt es zwischen der Zellstreckungs- und der Reifungszone regelmäßig zu einer Aktivierung von Genen, die durch Auxine gesteuert werden. So entsteht weiteres meristematisches Gewebe in den Seitenbereichen der Wurzel, aus dem später dann die Seitenwurzeln hervorgehen. 

Die Frage ist nun: Wodurch wird diese regelmäßige Genaktivierung gesteuert? Gibt es vielleicht eine Art „Uhr“, die die Genaktivierung taktet? Welche Rolle spielen die Auxine? Und gibt es äußere Faktoren, die einen Einfluss haben?

Tryptophan und Licht

Bekannt ist, dass das Auxin Indol-3-Essigsäure (Indol-3-Acetic Acid, IAA) an diesen Prozessen beteiligt ist. Es wird unter anderem aus der Aminosäure  Tryptophan synthetisiert. Die Forscher untersuchten den Einfluss von Tryptophan auf das Wachstum von Seitenwurzeln. Sie applizierten Tryptophan  auf die Wurzelspitzen von Arabidopis-Jungpflanzen, die entweder im Dunkeln oder im Licht angezogen wurden. In der Folge erhöhte Tryptophan bei den im Licht gezogenen Jungpflanzen die Bildung von Anlagen für Seitenwurzeln. Bei den abgedunkelten Pflanzen konnte das Tryptophan keine Neubildung der Wurzeln bewirken. Die Forscher schlossen daraus, dass die Bildung von endogenem IAA aus Tryptophan nur im Zusammenhang mit Licht funktioniert.

Aus früheren Studien ist bekannt, dass Licht für eine Erhöhung der Auxinkonzentration in der Wurzelspitze sorgt. In einem weiteren Versuch wurden die im Licht gezogenen Jungpflanzen daher einer steigenden Lichtintensität ausgesetzt, wodurch es zu einer Zunahme von Seitenwurzelanlagen kam.

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Im nächsten Schritt blockierten die Forscher die endogene IAA-Synthese aus Tryptophan, was zu einer Hemmung der Neuanlage von Seitenwurzeln um bis zu 90 Prozent führte. Die Forscher folgerten daraus, dass endogenes IAA tatsächlich über den Tryptophan-Weg synthetisiert wird, der lichtabhängig ist. Licht ist damit der Auslöser für die Anlage von Seitenwurzeln.

Eine lichtabhängige „Gen-Uhr“

Wie werden diese Vorgänge nun auf molekularer Ebene gesteuert? Eine durch Auxine kontrollierte Genaktivität funktioniert über sogenannte ARFs (Auxin-Response-Factors), die mit dem Repressor AUX/IAA an die betreffende Gensequenz binden und so die Genexpression verhindern. Ab einer bestimmten Auxinkonzentration wird ein Enzym aktiviert, das den Repressor markiert, sodass er anschließend abgebaut werden kann.

Der „freigewordene“ ARF kann jetzt die Genexpression von Proteinen aktivieren, die die Anlage von Seitenwurzeln fördern. Zu diesen durch ARF aktivierten Genen gehört auch das Gen des Repressors AUX/IAA. Das bedeutet, dass die Genaktivierung zeitlich begrenzt ist, bis die ebenfalls neu gebildeten Repressoren diesen Prozess wieder unterdrücken.

Zwischen der ersten Aktivierung der Gene durch die ARFs und der erneuten Hemmung durch frisch synthetisierte Repressorproteinen liegt eine gewisse Zeitspanne, die teilweise von der Abbaugeschwindigkeit und Neusynthese der Repressoren abhängig ist. Genau das ist die gesuchte „Uhr“. Die Forscher betonen, dass dieses Modell noch genauer untersucht werden muss. Dann könnte es aber auch in anderen Auxin-induzierten Prozessen in Pflanzen berücksichtigt werden.