(c) Picturepest

(c) Picturepest

Ein Forschungsteam unter der Leitung der BOKU University hat erstmals einen zentralen Schlüsselprozess in den Vakuolen von Pflanzenzelle entdeckt, der eine entscheidende Rolle für die Pflanzenstabilität und -resistenz spielt. Die Ergebnisse der Studie, die kürzlich im Fachjournal Nature Plants veröffentlicht wurden, bieten wertvolle Informationen über die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber Umwelteinflüssen.

Die Vakuole ist ein Zellorganell, das mit Zellsaft gefüllt ist und von einer einfachen Biomembran umgeben wird. Sie nimmt einen großen Raum in der pflanzlichen Zelle ein und ist in alle ihre Funktionen involviert.

Die Hauptaufgabe der Vakuole ist die Erzeugung des Turgors, dem osmotischen Druck innerhalb einer Zelle, der dafür sorgt, dass die Zellwand einer Pflanzenzelle gespannt wird - und damit zur Gewebestabilität der Pflanze beiträgt. Diese Funktion ermöglicht es Pflanzen, aufrecht zu stehen, selbst ohne verholzte Strukturen. 

Trotz dieser zentralen Bedeutung war bisher weitgehend unklar, wie Pflanzen ihre Vakuolen unter Stressbedingungen schützen. Das Forschungsteam unter der Leitung von Jose Julian Valenzuela vom Institut für Molekulare Pflanzenbiologie der BOKU hat nun einen wegweisenden Mechanismus, den sogenannten „vakuolären Qualitätskontrollweg“ (VQC), entdeckt. „Ein kritischer Mechanismus, der durch Zellwandschäden aktiviert wird“, so Julian Valenzuela. Dies wurde in der Studie „ATG8ylation of vacuolar membrane protects plants against cell wall damage“ untersucht und kürzlich im Magazin Nature Plants veröffentlicht. Er und das Team führten die Experimente am Gregor-Mendel-Institut für molekulare Pflanzenbiologie durch.

Schutzmechanismus gegen Zellschäden 

Dieser VQC-Weg ermöglicht es den Zellen, ihre Vakuolenstabilität aufrechtzuerhalten und ihren Turgordruck den schädigenden Bedingungen anzupassen, wodurch die zelluläre Widerstandsfähigkeit gesichert und der Zelltod verhindert wird. Durch experimentelle Ansätze, einschließlich konfokaler Mikroskopie und ultrastruktureller Analysen, wurden die Mechanismen aufgedeckt. „Wir konnten erstmals zeigen, wie Zellwandverletzungen eine spezifische Modifikation der Vakuolenmembran, die sogenannte ATG8ylierung, auslösen“, so der molekulare Pflanzenbiologe. 

„Zusätzlich haben wir im Zuge dieser Studie Pionierarbeit bei der APEX-Markierung geleistet, einer neuartigen Technik der Elektronenmikroskopie bei Pflanzen, mit der sich diese Vakuolen-Dynamik in noch nie dagewesener Klarheit darstellen lässt“, sagt Julian Valenzuela. 

Zukunftsperspektiven für die Landwirtschaft 

„Unsere Studie zeigt einen bislang unbekannten homöostatischen Weg auf, der Pflanzen hilft, ihre Zellstrukturen zu schützen und Stresssituationen zu bewältigen“, so der Molekularbiologe abschließend. Diese Erkenntnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben. Sie bieten Ansatzpunkte für die Entwicklung widerstandsfähigerer Nutzpflanzen, die den zunehmenden Umweltbelastungen besser standhalten können. 

DOI Nummer: 10.1038/s41477-025-01907-z bzw. URL https://www.nature.com/articles/s41477-025-01907-z

Kontakt
Dr. Jose Julian Valenzuela
Institut für Molekulare Pflanzenbiologie
Email: jose.julian(at)boku.ac.at