Regulation abiotischer Stresstoleranz aufgedeckt

Das Allround-Phytohormon Auxin wird auch durch die Repressoren Aux/IAA reguliert. Wie, war bisher nicht bekannt. Wissenschaftler haben nun eine Reihe von Transkriptionsfaktoren identifiziert, die an diesem Prozess beteiligt sind. Die Untersuchungen zeigten, dass die durch Aux/IAA gesteuerten Prozesse maßgeblich an der Stresstoleranz einer Pflanze beteiligt sind.

Auxine gehören zu den Phytohormonen und sind an zahlreichen pflanzlichen Entwicklungs- und Differenzierungsprozessen beteiligt. Gefäßpflanzen bilden Auxine in ihren Blättern, von wo aus die pflanzlichen Hormone zu ihren Wirkorten wandern. Auxine greifen in den pflanzlichen Stoffwechsel ein, indem sie die Aktivität von Genen verändern, die als Hauptschalter ganzer Genkaskaden wirken. Damit verändern sie das Ablesemuster dieser Gene. Auch die Phyllotaxis, die Blattstellung und Form sowie das Wachstum hin zum Licht (Phototropismus) wird von Auxinen beeinflusst.

Produktion von Auxin-Repressoren bisher unbekannt

An allen Auxin-gesteuerten Vorgängen in der Pflanze sind auch die sogenannten Aux/IAA-Repressoren beteiligt. Sie sorgen dafür, dass die Auxine nur dort wirken, wo die Hormone auch gebraucht werden. Auf diese Weise sind die Repressoren an physiologischen und entwicklungsrelevanten Prozessen beteiligt. Trotz der wichtigen Funktion dieser Repressoren war bisher nicht bekannt, wie ihre Produktion innerhalb der Pflanze reguliert ist.

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Fehlende Mutanten erschweren Analyse

Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana beherbergt 29 Aux/IAA-Gene, die einzeln, aber auch miteinander exprimiert werden. Es gab bereits Vermutungen, dass individuelle Aux/IAA-Gene spezielle Funktionen einnehmen, aufgrund fehlender „Loss-of-Function-Mutanten“ konnten diese Vermutungen aber bisher nicht überprüft werden. Bis auf wenige Ausnahmen ist über die Faktoren, die die Expression der Aux/IAA-Gene steuern, wenig bekannt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die transkriptionelle Kontrolle dieser Repressoren eine zentrale Rolle beim Auxin-Stoffwechselweg spielt, der wiederum essentielle Funktionen der Pflanze wie der Organogenese, dem Wachstum und dem Umgang einer Pflanze mit Umweltfaktoren steuert.

Gene IAA5 und IAA19 wichtig für abiotische Stresstoleranz

Daher haben sie in einer aktuellen Studie gezielt in Arabidopsis thaliana nach Transkriptionsfaktoren gesucht, die die Aux/IAA-Gene regulieren. Die dabei entdeckten 173 verschiedenen Transkriptionsfaktoren gehören zu 38 unterschiedlichen Transkriptionsfaktor-Familien, darunter fanden sich 26 Mitglieder der DREB/CBF-Familie. Da diese Familie in bisherigen Studien noch nie mit dem Auxin-Stoffwechsel in Verbindung gebracht wurde, schenkten die Forscher diesen Transkriptionsfaktoren besondere Aufmerksamkeit.

Die DREB/CBF-Familie spielt offenbar vor allem bei der Reaktion der Pflanze auf abiotischen Stress wie Trockenheit, Kälte oder hohen Salzgehalt eine wichtige Rolle. So konnte das Wissenschaftler-Team zeigen, dass mehrere DREB/CBF-Transkriptionsfaktoren die Transkription der Gene IAA5 und IAA19 als Reaktion auf abiotischen Stress fördern. IAA5 wird hauptsächlich in der Epidermis exprimiert, IAA19 im Stängel.

Im Gegenzug tolerierten Pflanzen mit rezessiven Mutationen in diesen beiden IAA-Genen stressige Umweltbedingungen weitaus schlechter als nicht mutierte Pflanzen, was die Vermutung nahelegt, dass das „Allround-Hormon“ Auxin auch an der Reaktion auf abiotischen Stress beteiligt ist.

Aux/IAAs sind Knotenpunkte der Stoffwechselwege

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Stoffwechselwege, die bei Stress aktiviert werden mit dem regulatorischen Netzwerk rund um Auxin über die Aux/IAA-Gene verknüpft sind. Die Aux/IAAs fungieren dabei als Knotenpunkte, die auf Basis genetischer Signale und aufgrund von Signalen aus der Umwelt unterschiedliche Stoffwechselwege vereinen, damit die Pflanze den Gegebenheiten entsprechend wachsen und sich entwickeln kann“, fasst das Forscher-Team seine Erkenntnisse zusammen.

Die pflanzliche Reaktion auf abiotischen Stress ist komplex und beruht auf der Verknüpfung zahlreicher Stoffwechselwege. Neben den in dieser Studie betrachteten Gene könnten auch andere Mitglieder von den DREB/CBF-Proteinen reguliert werden. Welche das sind, muss in weiteren Studien geklärt werden.