Zellwandschäden mit Folgen
Wie Pflanzen ihre Vakuolen schützen
Bei Wassermangel lassen Pflanzen ihre Blätter und Blüten hängen. Grund dafür ist, dass die von den Vakuolen vermittelte Turgorspannung in den Zellen abnimmt und die Pflanze so an Standfestigkeit verliert. Wie Pflanzen ihre Vakuolen bei Stress schützen, wurde in einer neuen Studie untersucht. (Bildquelle: © RitaE / Pixabay)
Vakuolen drohen zu platzen, wenn die Zellwand Schaden nimmt. Wie verhindern Pflanzen das? Eine neue Studie bringt Einzelheiten über den Prozess der „Vakuolen-Qualitätskontrolle“ zu Tage.
Pflanzen haben keine Knochen und verfügen trotzdem über eine ordentliche Stabilität. Einen großen Anteil daran haben die Vakuolen. Diese mit Wasser gefüllten Organellen, die einen Großteil des Zellvolumens ausmachen, drücken von innen gegen die flexible Zellwand und stabilisieren sie. Dadurch können Pflanzen in die Höhe wachsen, ohne unter ihrem eigenen Gewicht zusammenzubrechen.
Doch wird die Zellwand beschädigt, reißt oft auch die unter Druck stehende Vakuolenmembran, auch als Tonoplast bezeichnet. Und während schon viel darüber bekannt ist, wie Pflanzen ihre Zellwände wieder in Stand setzen, ist bisher unklar, wie sie ihre Vakuolen schützen und reparieren. Denn sobald ein Loch in der stabilen Zellwand klafft, könnte der Tonoplast durch seinen großen Innendruck platzen und es dadurch zum Tod der Zelle kommen.
Qualitätskontrolle für Vakuolen
Auf dieser konfokalen Mikroskopie-Aufnahme sieht man Wurzelzellen von Arabidopsis thaliana. Das mit einem grünfluoreszierenden Farbstoff markierte Protein ATG8 relokalisiert nach einem Zellwandschaden zum Tonoplasten.
Bildquelle: © José Julian / GMI
Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Yasin Dagdas vom Gregor-Mendel-Institut in Wien hat sich dieser Frage angenommen. Es fand einen konservierten Qualitätskontrollmechanismus, mit dem Pflanzen ihre Vakuolen schützen. Die Ergebnisse wurden vor kurzem im Journal Nature Plants veröffentlicht.
Im Zentrum steht das Molekül ATG8, dass sich normalerweise in kleinen zellulären Vesikeln befindet, die Autophagie vermitteln. Schäden an der Zellwand führen dazu, dass das Enzym V-ATPase das Molekül ATG8 an die Membran der Vakuole anfügt. Dadurch kann die Membran repariert werden.
Konservierter Prozess bei Landpflanzen
Das Forschungsteam beobachtete den Prozess zuerst in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Dann führten es auch Experimente am Brunnenlebermoos (Marchantia polymorpha) durch, einer der frühesten Landpflanzen – mit dem gleichen Resultat. Das deutet daraufhin, dass der Prozess bei allen Landpflanzen konserviert ist.
Dieser Prozess der ATG8ylierung wird auch als CASM bezeichnet, kurz für conjugation of ATG8 to single membran (Anfügen von ATG8 an eine Einzelmembran). Wird dieser Signalweg in Pflanzen blockiert, kann ATG8 nicht an die Membran gebracht werden. Die Folge: Die Vakuole reißt und die Zelle stirbt ab.
pH-Wert steigt in Vakuolen an
Das Brunnenlebermoos zeigt den gleichen Mechanismus zur Reparatur seines Tonoplasten wie Arabidopsis. Er scheint bei allen Landpflanzen konserviert zu sein.
Bildquelle: Manfred Morgner (ka-em-zwei-ein), eigenes Werk / Wikimedia, CC BY-SA 3.0
Auch bei Säugetierzellen wurde bereits gezeigt, dass CASM eine Stressantwort ist und die Remodellierung von Zellmembranen anstößt. Aus Pflanzenzellen war bekannt, dass CASM bei Hitzestress die Reparatur des Golgi-Apparats vermittelt.
Auslöser für die Reaktion ist vermutlich ein Anstieg des pH-Werts innerhalb der Vakuole. Doch wie Pflanzen diese pH-Wert-Veränderung wahrnehmen und wie genau ATG8 zur Reparatur des Tonoplasten beiträgt, muss noch erforscht werden.
„Das Enträtseln dieses Prozesses wird essenziell dafür sein, zu verstehen, wie Pflanzenzellen sich vor externen Störungen schützen, wie Pathogene und Verletzungen durch Umweltbedingungen“, sagt Jose Julián, einer der Erstautoren der Studie. „Wir werden prüfen, ob ATG8 der Vakuolenmembran dabei hilft, sich auszudehnen, sodass sie den Druckunterschied ausgleichen kann, oder ob das Molekül stattdessen dabei hilft, beschädigte Stellen der Membran zu isolieren und abzubauen.“
Quelle:
Julian, J., Gao, P., Del Chiaro, A. et al. ATG8ylation of vacuolar membrane protects plants against cell wall damage. Nat. Plants 11, 321–339 (2025). doi.org/10.1038/s41477-025-01907-z
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Titelbild: Bei Wassermangel lassen Pflanzen ihre Blätter und Blüten hängen. Grund dafür ist, dass die von den Vakuolen vermittelte Turgorspannung in den Zellen abnimmt und die Pflanze so an Standfestigkeit verliert. Wie Pflanzen ihre Vakuolen bei Stress schützen, wurde in einer neuen Studie untersucht. (Bildquelle: © RitaE / Pixabay)
