Biologen identifizieren Gene, die das rhythmische Pflanzenwachstum steuern

September 16, 2008

Biologen identifizieren Gene, die das rhythmische Pflanzenwachstum steuern

September 16, 2008

La Jolla, Kalifornien – Ein Team von Biologen des Salk Institute for Biological Studies, der UC San Diego und der Oregon State University hat die Gene identifiziert, die es Pflanzen ermöglichen, nachts rhythmische Wachstumsschübe zu durchlaufen, und die es ihnen ermöglichen, zu konkurrieren, wenn ihre Blätter beschattet werden durch andere Pflanzen.

Das berichten die Forscher in der dieswöchigen Ausgabe des Journals PLoS Biologie dass diese Gene das komplexe Zusammenspiel von Pflanzenwachstumshormonen, Pflanzenlichtsensoren und zirkadianen Rhythmen steuern, die es Pflanzen ermöglichen, zu bestimmten Tages- oder Jahreszeiten als Reaktion auf unterschiedliche Lichtverhältnisse und andere Umweltbedingungen rhythmische Wachstumsschübe zu durchlaufen.

Ihre Entdeckung der genetischen Grundlagen der rhythmischen Pflanzenbewegungen, die Charles Darwin vor mehr als einem Jahrhundert faszinierten, könnte es Wissenschaftlern schließlich ermöglichen, Nutzpflanzen zu entwickeln, die wesentlich schneller wachsen und mehr Nahrung produzieren können als die produktivsten Sorten von heute.

„Diese Arbeit baut auf unseren früheren Erkenntnissen auf, dass fast alle Pflanzengene nur zu einer bestimmten Tageszeit exprimiert werden“, sagte der Forscher des Howard Hughes Medical Institute Johanna Chory, Ph.D., Professor am Pflanzenbiologielabor des Salk Institute, der die aktuelle Studie leitete.

„Was wir gefunden haben, ist eine ganze Reihe von Genen, die die eigentlichen molekularen Schalter sein könnten, die das Pflanzenwachstum auf molekularer Ebene definieren“, sagte Steve Kay, Ph.D., Dekan der Abteilung für Biowissenschaften an der UC San Diego und einer von ihnen die Leiter des Forschungsteams. „Je besser wir diese genetischen Mechanismen verstehen und wie sie das Pflanzenwachstum ein- und ausschalten, desto besser können wir maßgeschneiderte Nutzpflanzen entwickeln, um unsere Produktion von Nahrungsmitteln und Treibstoffen für die schnell wachsende Weltbevölkerung zu steigern.“

Die Art und Weise, wie Pflanzen wachsen, um in verschiedenen Umgebungen ihr Überleben zu maximieren, fasziniert Biologen seit langem. Im Jahr 1880 veröffentlichte Charles Darwin Die Kraft der Bewegung in Pflanzen, eines seiner weniger bekannten Bücher, in dem er seine Studien über die Art und Weise beschreibt, wie verschiedene Pflanzenarten als Reaktion auf verschiedene Reize wachsen und sich bewegen.

Während die meisten Menschen davon ausgehen, dass Pflanzen Tag und Nacht langsam und gleichmäßig wachsen, fanden Darwin und andere heraus, dass sie in regelmäßigen nächtlichen Schüben wachsen, wobei sich die Pflanzenstiele in den Stunden kurz vor Sonnenaufgang am schnellsten verlängern. Sehen Sie sich das Video zum Wachstum von Sojasprossen an: http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/bigbeansprout.mov

„Pflanzen wachsen tatsächlich rhythmisch“, sagte Kay. „Einige Pflanzen, wie Sorghum, haben die Fähigkeit, sich jede Nacht um einen Zentimeter oder mehr zu verlängern.“

Warum Pflanzen Mechanismen entwickelt haben, um nachts oder in den Stunden kurz vor Sonnenaufgang rhythmisch zu wachsen, ist ein Rätsel. Aber ein ähnliches Zusammenspiel von Lichtwahrnehmung, Pflanzenhormonen und zirkadianen Rhythmen, das zu einem ausgeprägten rhythmischen Wachstum von Pflanzen zu bestimmten Jahreszeiten und im Schatten anderer Pflanzen führt, hat einen klaren Überlebenswert.

„Jede Pflanze, die wächst, befindet sich in einer Situation, in der sie mit den Pflanzen, die um sie herum wachsen, konkurrieren muss. Deshalb muss sie Möglichkeiten entwickeln, ihre Umgebung zu messen, um konkurrenzfähig zu sein“, sagte Kay. „Pflanzenzellen verfügen über Phytochrome, bei denen es sich im Wesentlichen um Schattendetektoren handelt, die das Verhältnis verschiedener Lichtfarben messen und einer Pflanze sagen können, ob es ein bewölkter Tag ist oder ob sie von einer anderen Pflanze beschattet wird. Und von einer anderen Pflanze beschattet zu werden, ist eine schlechte Nachricht, denn diese Pflanze verbraucht die gesamte richtige Lichtfarbe für die Photosynthese. Wenn Pflanzen bemerken, dass sie im Schatten stehen, lösen sie Wachstumshormone aus, um sich zu verlängern. Das sieht man im Extremfall, wenn man etwas auf dem Rasen liegen lässt und das Gras drumherum höher geworden ist.“

Um herauszufinden, welche Gene diese rhythmischen Wachstumsmuster steuern, wandte sich das Forschungsteam an Arabidopsis thaliana, eine winzige Senfpflanze, die Pflanzengenetikern als Labormodell dient. Weil ArabidopsisDa die Pflanze wie viele andere Pflanzen in den Stunden vor der Morgendämmerung am schnellsten wächst, wenn sie den Lichtzyklen von Tag und Nacht ausgesetzt ist, wollten die Wissenschaftler herausfinden, welche ihrer Gene in diesem Zeitraum aktiviert wurden. Mithilfe von DNA-Microarray-Chips konnten sie Tausende von Genen gleichzeitig testen, um festzustellen, welche in diesem Zeitraum aktiv waren.

„Wir haben viele hunderttausend Messungen durchgeführt“, sagte der Erstautor Todd Michael, Ph.D., ein ehemaliger Postdoktorand an der Salk University, der jetzt Assistenzprofessor für Genomik und Bioinformatik am Waksman Institute und der Rutgers University ist, „und dann fragte, welche Gene rhythmisch aktiviert werden und mit diesem rhythmischen Wachstumsmuster kurz vor Tagesanbruch korrelieren? Was wir herausfanden, war, dass eine ganze Reihe von Genen überall verstreut waren Arabidopsis Das Genom, das sich mit der Hormonbiosynthese, der Hormonsignalisierung und dem Hormonstoffwechsel befasst, steht in engem Zusammenhang mit dem rhythmischen Pflanzenwachstum. Dies zeigte uns, dass dieser Satz von Genen die eigentliche Signatur sein könnte, die das Pflanzenwachstum auf molekularer Ebene definiert.“

Die Wissenschaftler sagten, dass diese unterschiedlichen Gene zusammenwirken, um das rhythmische Pflanzenwachstum zu regulieren, ähnlich wie ein Tor, dessen Scharniere von Photorezeptoren und der biologischen Uhr gesteuert werden, die sich in den Stunden vor der Morgendämmerung öffnet, damit eine Welle mehrerer Pflanzenwachstumshormone in den Zellen wirken und sich dann schließen kann Das Tor bremst das Pflanzenwachstum bis zum nächsten 24-Stunden-Zyklus.

„Diese zeitliche Integration von Hormonwegen ermöglicht es Pflanzen, die Phytohormonreaktionen für eine saisonale und schattengerechte Wachstumsregulierung genau abzustimmen“, schreiben sie in ihrer Arbeit. „Viele verschiedene Pflanzenhormongene, darunter Gene für Hormone, die das Wachstum fördern und antagonisieren, werden zu der Tageszeit, zu der Pflanzen wachsen, gemeinsam exprimiert“, sagte Chory. „Dass es ein so umfangreiches Genregulationsmodul gibt, war eine ziemliche Überraschung.“

Um ihr Modell zu veranschaulichen, befestigten die Wissenschaftler ein leuchtendes Enzym, Luciferase, an den Genen, die sie für das rhythmische Wachstum verantwortlich machten Arabidopsis Pflanzen. Während die Pflanzen ihre rhythmische Wachstumsphase durchlaufen, wird die Arabidopsis Pflanzen leuchten ein und aus, wenn Gene, die das Öffnen und Schließen des Tors zu Pflanzenhormonen regulieren, aktiviert und dann deaktiviert werden. Sehen Sie sich das Video mit Kommentar an: http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/sprouts.mov

Die Wissenschaftler entdeckten außerdem, dass die meisten Gene, die an diesem rhythmischen Wachstum vor dem Morgengrauen beteiligt sind, eine DNA-Sequenz gemeinsam haben, einen Hauptcontroller, den sie HUD-Element nannten – für „Hormone Up at Dawn“. Sie stellten fest, dass an dieses HUD-Element ein Protein gebunden sein muss, das seine Funktion reguliert.

„Wir wissen nicht, was das ist, weil wir es noch nicht gefunden haben“, sagte Kay. „Die Identifizierung dieses Proteinregulators wird ein wichtiges Ziel für die Zukunft sein, da dieses Protein für die Steuerung von Pflanzenwachstum und -ertrag sehr, sehr wichtig sein wird.“

„Es ist eine sehr aufregende Zeit für Biologen“, fügte Chory hinzu, „denn jetzt gibt es die Werkzeuge, um Fragen zu komplexen Prozessen zu beantworten, etwa wie Pflanzen wachsen oder wie der menschliche Stoffwechsel schief läuft.“

Weitere Mitautoren waren die UCSD-Postdoktoranden Ghislain Breton, Ph.D. und Samuel Hazen, Ph.D. sowie der Assistenzprofessor für Genombiologie, Todd Mockler, Ph.D., und der Doktorand Henry Priest, beide an der Oregon State University.

Die Studie wurde durch Zuschüsse des Howard Hughes Medical Institute, der National Institutes of Health und der National Science Foundation unterstützt.

Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.