Auf den ersten Blick mögen Pflanzen passiv wirken – doch hinter ihrer Stille verbirgt sich eine Welt voller Komplexität und ständiger Aktivität. Pflanzen reagieren äußerst empfindlich auf ihre Umgebung und überwachen kontinuierlich Umweltsignale, um sich anzupassen und zu überleben. Betrachten Sie sie als neugierige Nachbarn der Natur, die immer aufmerksam sind, was um sie herum geschieht.
Von subtilen Veränderungen des Lichts und der Temperatur bis hin zur Anwesenheit von Bestäubern, Mikroben oder Veränderungen im Salzgehalt des Bodens können Pflanzen eine Reihe von Hinweisen erkennen. Als Reaktion darauf können sie die Wachstumsrichtung ändern, die Blüte verzögern oder schützende Chemikalien produzieren.
Meine Kollegen und ich haben eine Zell-für-Zell-Karte erstellt, die zeigt, wie Pflanzen auf Signale aus dem Boden reagieren. Die Karte bietet Einblicke in das Pflanzenverhalten in einem beispiellosen Detaillierungsgrad. Es könnte unser Verständnis darüber verändern, wie Lebewesen sich an ihre Umwelt anpassen und Pflanzen dabei helfen, den Klimawandel zu überleben.
Zunächst ist es wichtig zu verstehen, wie Gene in einem Organismus funktionieren.
Das menschliche Genom enthält etwa 20.000 Gene. Aber wie bei anderen Tieren und Pflanzen sind nicht alle diese Gene gleichzeitig oder in jeder Zelle aktiv. Man nennt es selektive Genexpression. Jahrelang glaubten Wissenschaftler, dass die selektive Genexpression die Haupterklärung dafür sei, warum sich unsere Hautzellen von Muskelzellen unterscheiden, obwohl sie den gleichen genetischen Bauplan tragen. Jeder Zelltyp aktiviert einen einzigartigen Satz von Genen und produziert Proteine, die seine Struktur und Funktion definieren.
Aber wissenschaftliche Entdeckungen des letzten Jahrzehnts haben gezeigt, dass hinter der Geschichte noch mehr steckt. Es wird immer klarer, dass die Funktion einer Zelle auch davon abhängt, was danach mit diesen Proteinen passiert.
Sobald ein Protein hergestellt ist, kann es chemischen Modifikationen unterliegen, die sein Verhalten verändern. Stellen Sie sich das wie die Verwendung eines Werkzeugs vor. Wenn Sie in die Ferne sehen möchten, können Sie sich ein Teleskop zulegen. Du bist immer noch derselbe Mensch, aber jetzt mit einer verbesserten Sehkraft. Ebenso kann ein Protein mit einem Tag „aufgewertet“ werden, der seine Aktivität steigert. Stellen Sie sich andererseits vor, Sie wären mit einer Kugel und einer Kette ausgestattet – Ihre Bewegungsfreiheit ist eingeschränkt. Zellen machen etwas Ähnliches wie Proteine, die sie produzieren, indem sie Moleküle anhängen, die ihre Funktion entweder aktivieren oder unterdrücken.
Dieser als posttranslationale Modifikation (PTM) bekannte Prozess fügt der Biologie eine neue Ebene der Komplexität hinzu. Das erste identifizierte PTM war die Phosphorylierung im Jahr 1906. Wissenschaftler haben seitdem über 500 Arten dieser Modifikationen identifiziert. Zum Beispiel die Ubiquitinierung, eine Markierung, die häufig Proteine zur Zerstörung markiert. Auf diese Weise reinigt die Zelle den Haushalt und entsorgt nicht mehr benötigte Proteine, ähnlich wie das Waschen und Aufbewahren Ihrer Kaffeetasse nach dem Gebrauch (obwohl einige von uns das besser können als andere!).
Diese winzigen molekularen Veränderungen helfen den Zellen, auf veränderte Bedingungen zu reagieren, ihre innere Maschinerie zu regulieren und die Gesundheit des Organismus aufrechtzuerhalten.
Bei den meisten PTMs handelt es sich um komplexe Prozesse, die in verschiedenen Teilen der Zelle ablaufen, was es für Wissenschaftler schwierig macht, sie zu verfolgen und zu verstehen. Aber Sumoylierung, eine Art von PTM, beruht auf einem einfacheren Satz von Enzymen. Und Forscher glauben, dass dieses optimierte System eng mit seiner Rolle bei der Unterstützung der Zellen bei der Reaktion auf ihre Umgebung verbunden ist.
Dies ist besonders wichtig bei Pflanzen, wo Umwelteinflüsse wie Licht, Temperatur, Feuchtigkeit und Trockenheit Entwicklungsstadien wie Keimung, Blüte und Blattabwurf beeinflussen. Diese Hinweise wirken sich auch auf die Struktur aus, etwa auf die Wurzelkomplexität und die Stammverzweigung. Zu verstehen, wie Pflanzen Sumoylierung nutzen, um diese Signale zu interpretieren und darauf zu reagieren, könnte den Weg für intelligentere, nachhaltigere landwirtschaftliche Praktiken ebnen.
Um herauszufinden, wie Sumoylierung in Pflanzen funktioniert, gründete eine Gruppe von Wissenschaftlern im Vereinigten Königreich – unterstützt vom Biotechnology and Biological Sciences Research Council – ein Forschungskonsortium. Diese Initiative brachte Experten (einschließlich mir) von vier Universitäten zusammen: Durham, Nottingham, Cambridge und Liverpool.
Die erste Hürde des Konsortiums bestand darin, ein System zu entwickeln, das die Aktivität jedes an der SUMO-Produktion beteiligten Enzyms in der Modellpflanze verfolgen konnte Arabidopsis thaliana. Viele Menschen kennen diese Pflanze auch als Ackerschmalwand und man findet sie häufig an Straßen- und Gehwegrändern. Diese Pflanze wurde aufgrund ihrer einfachen Struktur, ihrer gut untersuchten genetischen Ausstattung und ihrer vorhersehbaren Reaktionen auf Umweltveränderungen ausgewählt – was sie ideal für die Untersuchung komplexer biologischer Prozesse macht.
Mit diesem System konnten meine Kollegen und ich überwachen, wann und wo jede Komponente der SUMO-Maschinerie aktiv war, zusammen mit den Proteinen, die sie veränderte. Die Plattform ermöglichte auch tiefergehende molekulare Analysen, beispielsweise die Identifizierung bisher unbekannter molekularer Partner.
Die nächste Herausforderung bestand darin, zu untersuchen, wie sich jede Komponente des SUMO-Systems verhält, wenn Pflanzen Umweltstress ausgesetzt sind. Das Team konzentrierte sich auf Dürre, Salzgehalt des Bodens oder Wassers und Krankheitserregerbefall. Da die Wurzeln oft der erste Teil der Pflanze sind, der diese Bedrohungen wahrnimmt und darauf reagiert, haben wir dieses Organ genauer untersucht, um seine Rolle bei der Stressanpassung zu verstehen.
Unsere Ergebnisse zeigten, dass Trockenstress die SUMO-Signalisierung tief im inneren Gewebe der Wurzel auslöst, während Salzstress in den äußeren Schichten wahrgenommen wird. Und Pathogenangriffe lösen Reaktionen in den sich teilenden Zellen der Wurzel aus. Teilungszellen sind solche, die gerade erst entstanden sind und noch nicht die Reife erreicht haben. Alle diese Stresssignale scheinen auf einem einzigen Protein, SCE1, zusammenzulaufen. Dieses Protein hilft dabei, SUMO an molekulare Knotenpunkte zu binden, die zelluläre Veränderungen steuern.
Dies macht SCE1 zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung neuer Strategien zur Steigerung der Pflanzenresilienz. Wenn wir die Funktion von SCE1 verbessern, könnte es möglich sein, Pflanzen dabei zu helfen, schneller auf Dürre zu reagieren und Schutzmechanismen zu aktivieren, um Wasser zu sparen, bevor der Schaden irreversibel wird.
Das Verständnis, wie PTMs die Zellanpassung und die Proteinfunktion beeinflussen, eröffnet neue Wege zur Stressbewältigung in Pflanzen. Doch die Auswirkungen gehen weit über die Landwirtschaft hinaus. Die gleichen Grundsätze gelten für die Gesundheit von Tieren und Menschen, wo PTMs eine entscheidende Rolle bei der Immunität, Entwicklung und Krankheitsresistenz spielen. Die Enthüllung ihrer Geheimnisse könnte unsere Herangehensweise an alles verändern, von der Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen bis hin zu medizinischen Therapien.
Miguel de Lucas, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften, Universität Durham
wird von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht.
