Ein internationales Forscherteam um den Molekularbiologen Christian Luschnig von der Universität für Bodenkultur Wien hat herausgefunden, wie Pflanzenhormone das Wurzelwachstum dynamisch steuern.

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    Mikroskopische Analyse der Auxinverteilung in einer Wurzel der Modellpflanze Arabidopsis

Gerade in Zeiten des Klimawandels stellen veränderte Umweltbedingungen Pflanzen vermehrt unter Stress und beeinflussen ihr Wachstum nachhaltig. Das für die Landwirtschaft zukunftsweisende Forschungsprojekt wurde federführend an der BOKU durchgeführt - und jetzt mit einer Veröffentlichung im renommierten Wissenschaftsjournal Nature Communications ausgezeichnet.

Eine zentrale Rolle dabei spielt Auxin. Dieser Pflanzenwuchstoff reguliert - je nach Konzentration in den Zellen - das pflanzliche Wuchsverhalten und kann – je nach Pflanzenalter und Zelltyp - zu dramatischen Veränderungen in der Entwicklung führen. An der Verteilung von Auxin sind sogenannte PIN-Proteine beteiligt. Sie transportieren den Wuchsstoff von Zelle zu Zelle. Abhängig von Umweltstimuli wird der Auxintransport gezielt hochreguliert oder gedrosselt. Dieser Mechanismus bewirkt, dass sich Pflanzen optimal an ihre Umgebung anpassen können. Das war soweit bekannt.

Steroidhormon als Masterregulator
Die vom Fond zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) geförderte Arbeitsgruppe Luschnig konnte jetzt in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Institute of Experimental Botany in Prag und dem IST-Klosterneuburg einen weiteren Mechanismus entschlüsseln, der die zelluläre Konzentration von PIN-Proteinen reguliert. In umfassenden zellbiologischen Analysen zeigte sich, dass noch ein weiterer Pflanzenwuchstoff, das Steroidhormon Brassinosteroid, den Abbau von PIN-Proteinen kontrolliert.

PIN-Proteine, die an der Plasmamembran sitzen, transportieren Auxin weiter in andere Zellen. Werden sie ins Zellinnere transferiert, werden sie in der Vakuole – quasi dem Mistkübel der Pflanzenzelle – abgebaut. Dieser Prozess ist im Wachstum einer Pflanze auch immer wieder notwendig. Das Brassinsteroid jedoch blockiert diesen Prozess, sodass PIN-Proteine an der Plasmamembran verbleiben und weiterhin am zellulären Auxintransport beteiligt sind. Das Brassinosteroid ist somit ein Masterregulator der PIN-Proteine und somit indirekt für die Anpassungsprozesse der Pflanzen verantwortlich.

Dieser Mechanismus konnte auch durch mathematische Modellierung bestätigt werden, in der erstmals die dynamische Veränderung der Auxinverteilung in Abhängigkeit variabler PIN-Aktivitäten innerhalb der Wurzel simuliert dargestellt werden konnte. 

Diese Erkenntnis könnte in Zukunft gezielt zu einer verbesserten Anpassungsfähigkeit von Nutzpflanzen beitragen und so für die Landwirtschaft von großer Bedeutung sein.

Kontakt:
Universität für Bodenkultur Wien
Department für Angewandte Genetik und Zellbiologie (DAGZ)
christian.luschnig(at)boku.ac.at
Luschnig Lab: https://boku.ac.at/dagz/luschnig

Direct link zum paper:
https://doi.org/10.1038/s41467-019-13543-1