Stop-and-go unter der Wurzelhaube

Das Pflanzenhormon Auxin spielt bei der Leitbündeldifferenzierung eine wichtige Rolle. Forscher der Technischen Universität München und der Universität Hohenheim haben in einem internationalen Projekt die Entstehung der Phloemzellen genauer untersucht. Dabei stießen sie auf einen selbstregulierenden Mechanismus beim transzellulären Auxin-Transport.

Das Phloem ist der Transportweg für die energiereichen Assimilate der Photosynthese. Damit die Wurzeln nicht von der lebenswichtigen Versorgung abgeschnitten werden, wird an der Wurzelspitze kontinuierlich am Ausbau dieser Leitbündel gearbeitet. Unter der Wurzelhaube, die die Wurzel beim Vordringen ins Erdreich schützt, liegt die sogenannte Stammzellnische. Aus ihr gehen alle Gewebetypen der Wurzel hervor. Woher weiß nun eine neue Zelle, dass sie eine Phloemzelle werden soll?

BRX und PAX bilden ein Paar

Eine zentrale Rolle spielt das Pflanzenhormon Auxin. Es regt neu geborene Zellen dazu an, sich zu Phloemzellen zu entwickeln. Die eigentliche Frage lautet daher, wie kommt das Auxin in die Zelle? Und zwar zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Dosierung? Claus Schwechheimer und Ulrich Marsch von der Technischen Universität München sind der Antwort ein Stück näher gekommen. „Bereits im Jahr 2004 hat das Team in Lausanne gezeigt, dass Pflanzen, denen das Protein BRX fehlt, Probleme haben, Phloemzellen zu bilden“, erklärt Co-Autorin Lanassa Bassukas. Mit dem PAX-Protein hat das Team nun den fehlenden Gegenpart gefunden. Gemeinsam kontrollieren beide den Auxintransport zwischen den Zellen und steuern so die Entwicklung der Phloemzellen.

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Wie läuft der Auxin-Transport ab?

Auxin ist nicht in der Lage, ohne fremde Hilfe eine Zellmembran zu durchqueren. Dies ist aber nötig, damit das Pflanzenhormon in eine Zelle eindringen und seine stimulierende Wirkung im Zellkern entfalten kann. Spezielle PIN-Proteine übernehmen hier die Rolle des Auxin-Transporters. Sie nehmen das Hormon quasi an die Hand und durchqueren gemeinsam die Zellmembran. Wie schnell dieser Transport ist, darüber entscheiden BRX und PAX im Wechsel, wie man nun herausgefunden hat. PAX beschleunigt die Auxinaufnahme, BRX drosselt sie.

Transport reguliert sich selbst

Wer oder was entscheidet aber darüber, wer die Oberhand hat? Es ist das Auxin selbst. Es beginnt damit, dass die Auxin-Konzentration in einer Zelle steigt, solange BRX aktiv ist. Es blockiert den Transport in die Nachbarzelle, wodurch sich das Hormon im Inneren staut. Mit zunehmender Konzentration passiert zweierlei: Erstens wird BRX schrittweise abgebaut, zweitens steigt die Aktivität von PAX.

Sobald die BRX-Proteine ausreichend abgebaut sind, nimmt der Auxin-Transport Fahrt auf. Damit dieser aber nicht endlos und unkontrolliert ausufert, beginnt die Zelle mit zeitlicher Verzögerung wieder BRX-Proteine zu bilden. Bemerkenswert ist, dass die PAX-Proteine den neuen BRX-Proteinen helfen, ihren angestammten Platz in der Membran zu finden. Dort angekommen beginnen diese, den Transport wieder zu regulieren.

„An der Beantwortung dieser Frage haben wir zusammen mit unseren Kollegen aus Lausanne über mehrere Jahre geforscht“, erklärt Schwechheimer. Mit der Entdeckung könnte das Team einen grundlegenden Regulationsmechanismus entdeckt haben, der auch in anderen Zusammenhängen zum Tragen kommt.