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Regulation des Wurzelwachstums aus der Ferne

19.07.2019

Pflanzen verfügen über vielfältige und komplexe Kommunikationswege und das aus gutem Grund. Kommunikationsfehler oder „false news“ könnten die Pflanzen nämlich im schlimmsten Fall mit dem Tod bezahlen. Ein Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie hat gemeinsam mit internationalen Kooperationspartnern einen völlig neuen Mechanismus der internen Kommunikation bei Pflanzen aufgezeigt.

Wer glaubt, dass es sich bei Pflanzen um Gewächse „ohne Köpfchen“ und Wahrnehmungsfähigkeit handelt, der irrt. Es gibt sie nicht nur in einer ungeheuren Vielfalt an den unterschiedlichsten Standorten, was eine enorme Anpassungsfähigkeit erfordert, nein, sie leisten darüber hinaus eine erstaunliche interne Kommunikationsarbeit, damit Entwicklung und Wachstum koordiniert ablaufen können.


Gepfropfte Arabidopsis Pflanze

Pfropfungen von genetisch verschiedenen Pflanzen werden u.a. im Wein-und Obstbau angewendet, um Eigenschaften der einen Pflanze mit Eigenschaften der anderen zu kombinieren.

In den Versuchen zur vorliegenden Studie wurden zwei unterschiedliche Genotypen von Arabidopsis aufeinander gepfropft. Durch die Fusion eines fluoreszierenden Farbstoffs mit der mRNA der oberen Pflanze, kann der mRNA Transport von einem Arabidopsistyp über die Pfropfungstelle hinweg in den unteren Arabidopsistyp verfolgt werden. Dort, wo in den Wurzeln die mRNA in das entsprechende Protein übersetzt wird, erscheinen die Wurzeln grün fluoreszierend, wie auf der Abbildung zu erkennen ist.

© MPI-MP, Kragler

Es müssen Entscheidungen darüber getroffen werden, ob neue Blätter gebildet werden sollen, damit ausreichend Fotosynthese betrieben werden kann, oder ob das Wurzelwachstum verstärkt werden soll, da eine größere Wurzeloberfläche benötigt wird, mit der mehr Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufgenommen werden kann, oder sollen eher Abwehrstoffe zur Bekämpfung von Viren, Bakterien, Pilzen oder anderen Angreifern gebildet werden, oder ist es evtl. Zeit die Blüte auszubilden?

Damit die richtigen Entscheidungen getroffen und die Aufgaben koordiniert und fehlerfrei erledigt werden können, bedarf es der Aufnahme und Registrierung von Umweltsignalen, der Produktion interner Signale, deren Transport in die relevanten Pflanzenteile, eine sich daran anschließende Verarbeitung, Rückkopplung und Verifizierung, die dann zur richtigen Reaktion führen muss.

Fehler bei der Signalerstellung und -verarbeitung oder bei der internen Kommunikation können im schlimmsten Fall zum sofortigen Tod der Pflanze führen und müssen daher auf jeden Fall vermieden werden. Deshalb verfügen Pflanzen über vielfältige und komplexe Kommunikationswege.

Einen neuen Weg konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Frankreich, Italien, Hongkong und China in ihrer aktuellen Studie aufzeigen. Sie wiesen nach, dass die Regulation des Wurzelwachstums aus der Ferne über mobile Dolmetscher mit besonderen Eigenschaften erfolgen kann.

Kommunikation vom Blatt zur Wurzel über die Siebröhren

Normaler Weise geht man davon aus, dass in der Zelle, in der ein bestimmtes Gen aktiv ist auch die Übersetzung in das dazugehörige Protein erfolgt. Das Gen wird im Zellkern abgelesen und in eine Transportform übersetzt, die sozusagen als Dolmetscher fungiert und Messenger oder mRNA genannt wird. Die mRNA wird aus dem Kern ins Zellplasma transportiert, um dort an den Ribosomen in Proteine übersetzt zu werden.

Die Proteine sind die wichtigen Akteure für ein Lebewesen. Ihre Art, Zusammensetzung und Struktur bestimmen im Wesentlichen die Eigenschaften eines Organismus und sorgen dafür, dass Pflanzen sich entwickeln und wachsen.

Seit einiger Zeit weiß man allerdings, dass die mRNA nicht unbedingt in den Zellen verbleibt, wo das Gen abgelesen wird, sondern dass sie in der Pflanze über weite Strecken transportiert werden kann. So konnte Dr. Friedrich Kragler, Arbeitsgruppenleiter am MPI-MP, bereits in einer früheren Arbeit nachweisen, dass von ca. 2.000 Genen sogenannte mobile mRNAs produziert werden.

Der Transport dieser mRNAs erfolgt in den Siebröhren (Phloem) der Pflanzen, in denen Zucker und andere organische Stoffe transportiert werden. Bisher war wenig darüber bekannt, wie die mRNA in eine mobile Transportform überführt wird. „In unserer aktuellen Arbeit konnten wir nicht nur nachweisen, dass bestimmte mRNA Moleküle aus den Blättern in die Wurzeln transportiert werden, um dort das Wurzelwachstum zu fördern, sondern wir konnten auch den Mechanismus aufdecken, der für die Mobilisierung der mRNA verantwortlich ist und belegen, dass am Zielort tatsächlich das entsprechende Protein gebildet wird“, fasst Dr. Kragler die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen.

Wie Kurzstreckendolmetscher zu Langstreckeninformanten werden

Der Mechanismus, der aus der mRNA einen mobilen Dolmetscher zwischen Blättern und Wurzeln macht, besteht darin, dass einer der Grundbausteine der mRNA eine Abänderung erfährt. Solche Veränderungen sind für die DNA bereits seit längerem bekannt und sind für die Vererbung von neuen Eigenschaften mitverantwortlich, ohne dass dazu eine Mutation im Erbgut auftreten muss. Dieser Mechanismus besteht darin, dass Methylgruppen auf die Cytosinbasen der DNA übertragen werden. Dadurch wird die Aktivität einzelner Gene oder ganzer Chromosomen verändert. Diese Änderungen bezeichnet man als epigenetische Effekte.

„Wir konnten erstmalig zeigen, dass eine Cytosinbasen Methylierung auch bei der mRNA eine Funktion hat. Diese Modifikation führt dazu, dass bestimmte mRNA Moleküle, die in Blättern produziert werden, über das Phloem bis in die Wurzel transportiert werden. Diese mRNAs werden in bestimmte Wurzelzellen transportiert und dort in funktionelle Proteine übersetzt. Das wiederum reguliert das Wurzelwachstum“, erläutert Dr. Kragler den Mechanismus.

Der Grund für die Regulation aus der Ferne ist wahrscheinlich, dass auf diese Weise Blatt- und Wurzelwachstum aufeinander abgestimmt werden können. Bildet eine Pflanze zu wenig Wurzeln, so werden die Blätter nicht ausreichend mit Nährstoffen versorgt und das Wachstum wird verlangsamt, da die Nährstoffe fehlen.

Bildet die Pflanze allerdings zu viele Wurzeln, dann erhält der oberirdische Pflanzenteil zwar mehr Nährstoffe, jedoch wird das Wachstum evtl. trotzdem verlangsamt, da zu viel Energie in das Wurzelwachstum gesteckt wird und zu wenig für das oberirdische Wachstum übrigbleibt.

Mit Hilfe von bestimmten regulatorischen mobilen mRNAs könnte sichergestellt werden, dass das Wurzelwachstum zum Nährstoffbedarf der Blätter passt und so die durch Fotosynthese gewonnene Energie möglichst effizient genutzt wird. Im nächsten Schritt werden die Wissenschaftler untersuchen warum nur bestimmte mobile mRNA Moleküle modifiziert werden.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Friedrich Kragler
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8165
Kragler@mpimp-golm.mpg.de

Originalpublikation:

Lei Yang, Valentina Perrera, Eleftheria Saplaoura, Federico Apelt, Mathieu Bahin, Amira Kramdi, Justyna Olas, Bernd Mueller-Roeber, Ewelina Sokolowska, Wenna Zhang, Runsheng Li, Nicolas Pitzalis, Manfred Heinlein, Shoudong Zhang, Auguste Genovesio, Vincent Colot, and Friedrich Kragler
m5C methylation guides systemic transport of messenger RNA over graft junctions in plants
Current Biology, 18.07.2019, https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.06.042

Dipl. Ing. agr. Ursula Ross-Stitt | Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Weitere Informationen:
http://www.mpimp-golm.mpg.de
https://www.mpimp-golm.mpg.de/2340139/regulation-des-wurzelwachstums-aus-der-ferne

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