Gestresste Pflanzen müssen Eisen im Griff haben

Pflanzen können, anders als etwa Tiere, bei Nahrungsknappheit oder Nährstoffmangel nicht den Ort wechseln und sich neue Ressourcen erschließen. Sie müssen sich vielmehr an die gegebene Situation anpassen.

Sie tun dies, indem sie in ihrem Genpool andere Genabschnitte aktivieren als diejenigen, die ihnen das Überleben in nährstoffreichen Zeiten sichern. Sie programmieren also quasi ihren Stoffwechsel um. Welche Gene ausgelesen werden, bezeichnet man auch als Genexprimierung.

Die Pflanzenforscherin Dr. Tzvetina Brumbarova und der -forscher PD Dr. Rumen Ivanov vom HHU-Institut für Botanik (Leitung: Prof. Dr. Petra Bauer) haben sich die Stressprogramme angeschaut, die die Modellpflanze Arabidopsis thaliana aktiviert.

Sie wollten wissen, mit welchen Strategien diese Pflanze, die auch als Ackerschmalwand bekannt ist, reagiert. Brumbarova und Ivanov nutzten einen rechnergestützten Ansatz, um umfangreiche Genexprimierungsdaten aus der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu analysieren.

Die HHU-Forscher fanden in den Daten einige überraschende Strategien, die Arabidopsis anwendet. Zum einen sind drei der Hauptregulatoren, die bei Stressreaktionen eine Rolle spielen, bereits bekannt: Sie steuern auch die Reaktion der Pflanze auf die Lichtbedingungen. „Dies legt nahe, dass Licht auch die Nährstoffaufnahme in den unterirdischen Pflanzenorganen wie den Wurzeln steuern kann“, so Tzvetina Brumbarova.

Wichtiger noch ist die Entdeckung, dass Pflanzen bei Nährstoffmangel vor allem den Eisenspiegel anpassen. Dazu Rumen Ivanov: „Eisen kann in solchen Stresssituationen leicht vom Freund zum Feind werden. Eisen ist einerseits für die Pflanze für unterschiedliche Prozesse lebenswichtig. Andererseits können aber bei Nährstoffknappheit aus Eisen auch reaktive Verbindungen entstehen, die die Pflanze irreversibel schädigen.“

Dabei überraschte die Forscher eine weitere Entdeckung. „Beim Stress versucht die Pflanze vor allem, die Eisenzufuhr in der Zelle anzupassen, anstatt das Eisen innerhalb der Zelle umzuverteilen“, erläutert Brumbarova, und weiter: „Aus zellularer Sicht bedeutet dies, dass die Kontrolle der ‚Außengrenzen‘ am wichtigsten ist.“

Die Studie, die jetzt online in der Zeitschrift iScience veröffentlicht wurde, verwendet ausschließlich vorhandenes Wissen. Ivanov: „Die Daten lagen alle bereits vor, wir haben diese lediglich mit Blick auf neue Fragestellungen hin untersucht.“ Damit besitzen die Biologen bereits einen großen Datenschatz, aus dem sie neue Erkenntnisse generieren können.

Tzvetina Brumbarova and Rumen Ivanov, The Nutrient Response Transcriptional Regulome of Arabidopsis, iScience (2019).

DOI: 10.1016/j.isci.2019.07.045

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900421930272X?via%3Dihub