Unbeachtetes Pflanzenmolekül ist eigentlich ein Schatz

Unbeachtetes Pflanzenmolekül ist eigentlich ein Schatz

Salk-Forscher entdecken, dass ein Pflanzenmolekül, das einst als biologische Sackgasse galt, nun neue Anhaltspunkte für die Entwicklung widerstandsfähigerer Pflanzen bietet

LA JOLLA – Die besten Naturchemiker da draußen sind keine Wissenschaftler – sie sind Pflanzen. Seit sie vor etwa 450 Millionen Jahren begannen, Land zu besiedeln, haben Pflanzen eine reiche Palette kleiner natürlicher Chemikalien und Rezeptoren entwickelt.

Jetzt wurden Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern des Salk Institute am 11. August 2016 in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle enthüllt eine unerwartete Rolle für ein kleines, oft übersehenes Molekül namens Phasensäure, das in der Vergangenheit als inaktives Nebenprodukt in Pflanzen angesehen wurde – eine Art Stoffwechsel-Sackgasse. Die neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich Phasensäure und ihre Rezeptoren wahrscheinlich gemeinsam entwickelt haben und entscheidend für die Dürreresistenz und andere Überlebensmerkmale wurden und die Entwicklung neuer, widerstandsfähigerer Nutzpflanzen beeinflussen könnten, die durch den Klimawandel verursachte Naturkatastrophen überstehen können.

„Es gab einige Hinweise darauf, dass Phasensäure nicht nur ein inaktiver Nebeneffekt, sondern ein Pflanzenhormon mit einer wichtigen Rolle war“, sagt der leitende Forscher der Studie Josef Noel, Inhaber des Arthur and Julie Woodrow Chair und Professor am Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics in Salk. „Durch den Einsatz modernster biologischer Ansätze konnten wir nun jedoch überzeugender zeigen, dass Phasensäure wahrscheinlich überlebenswichtig ist.“

Phasensäure stand lange Zeit im Schatten ihrer Vorstufe – der Abscisinsäure oder ABA –, die in der Pflanzenforschung eine große Rolle spielt. ABA ist ein Pflanzenhormon, das in allen Landpflanzen vorkommt und von entscheidender Bedeutung für die Reaktion auf Umweltstress und Krankheitserreger ist, insbesondere um die Pflanze auf Dürrebedingungen aufmerksam zu machen. ABA ist auch für seine Verbindung zu den guten Stoffen in Obst und Gemüse bekannt: Carotinoide wie Beta-Carotin und Lycopin.

Wie alle kleinen natürlichen Moleküle wird ABA über komplizierte Stoffwechselwege hergestellt, die einfache kohlenstoffbasierte Bausteine ​​in strukturell komplexe natürliche Chemikalien umwandeln, die zusammen eine beträchtliche Menge an Informationen übermitteln. Manche Pflanzen sind mit mehr als einer Handvoll Rezeptoren für ABA ausgestattet, von denen jeder verschiedene Funktionen in der Pflanze ausübt. Aber paradoxerweise schien ABA selbst aufgrund ihrer Rolle als Hauptregulator alle ihre Rezeptoren gleichermaßen zu bevorzugen, was für die fein abgestimmte Steuerung der Pflanzenfunktion nicht ideal wäre.

In der neuen Studie verwendete Noels Team eine häufig untersuchte Pflanze namens Arabidopsis thaliana und erhielten Sorten, denen das Enzym fehlte, das Phasensäure verarbeitet, wodurch sich tatsächlich große Mengen an Phasensäure ansammelten.

Zur Überraschung der Gruppe zeigten die Pflanzen Veränderungen im Zeitpunkt der Samenkeimung und überlebten länger ohne Wasser. „Das legte uns nahe, dass wir Phasensäure vielleicht nicht als inaktives Abbauprodukt betrachten sollten, sondern tatsächlich als ein Molekül, das wie andere Pflanzenhormone über die Fähigkeit verfügt, Veränderungen herbeizuführen“, sagt Noel.

Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Studien durch, die auf die Rolle von Phasensäure als Pflanzenhormon hinwiesen und beispielsweise zeigten, dass die Zugabe von Phasensäure zu normalen Sämlingen Veränderungen in der Expression zahlreicher spezifischer Gene auslöste, insbesondere von Genen, die für Stoffwechselenzyme kodieren, die sich überlappten sondern unterscheiden sich auch von denen, die durch ABA aktiviert werden.

Darüber hinaus zeigte die Gruppe mithilfe einer hochauflösenden Bildgebungstechnik namens Röntgenkristallographie, dass Phasensäure an die Rezeptoren von ABA gebunden ist, was den Beweis dafür untermauert, dass die Rezeptoren von ABA mehr als nur ABA wahrnehmen können.

Die neue Studie legt allgemeiner nahe, dass die Art und Weise, wie Organismen kleine Chemikalien nutzen, um eine Vielzahl unterschiedlicher Reaktionen hervorzurufen, eine verborgenere Komplexität aufweisen könnte. Die Evolution könnte durchaus andere sogenannte Endprodukte des Stoffwechsels umfunktioniert haben, sagt Noel.

Der Erstautor der Studie, Jing-Ke Weng, früher Postdoktorand in Noels Labor, hat innerhalb des Whitehead Institute for Biomedical Research und der Abteilung für Biologie des Massachusetts Institute of Technology eine unabhängige Forschungsgruppe eingerichtet, die sich weiterhin mit Pflanzenchemikalien mit bisher unbeachteter Rolle befassen wird . „Wir hoffen, die Komplexität der Hormone, ihrer Metaboliten und ihr kollektives Zusammenspiel mit Rezeptoren in verschiedenen Pflanzen zu entdecken und zu verstehen“, sagt Weng.

Noels Team wird die Rolle der Hormone in den Wurzeln von Pflanzen untersuchen. Es gibt Hinweise darauf, dass Phasensäure und ABA eine Rolle dabei spielen, Kohlenstoff aus den Blättern und Stängeln einer Pflanze in ihre Wurzeln zu transportieren, um sie während Dürreperioden, Überwinterungen und bei Angriffen von Krankheitserregern im Boden zu schützen, sagt Noel. „Das Verständnis dieses Bereichs der Pflanzenbiologie bietet neue Möglichkeiten, darüber nachzudenken, wie wir den Klimawandel eindämmen könnten.“

Diese Forschung wurde unterstützt von der National Science Foundation, die Pioneer Foundation, die Pew Wohltätigkeitsstiftungen, hat das Searle Scholars-Programm und der Howard Hughes Medical Institute.

Weitere Autoren der Studie sind Mingli Ye vom Salk Institute und Bin Li von der University of California, San Diego School of Medicine.