Die Unabhängigkeit von Pollenkörnern: Eine Frage der Energie

Die Pollenkörner von Mais, Reis und allen anderen Getreidearten müssen Stärke als Energiedepot für den späteren Einsatz bei der Befruchtung speichern. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Ivan Acosta vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, Deutschland, zusammen mit Kollegen vom Umeå Plant Science Centre, Schweden, dem Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Deutschland und der Rutgers University, US identifizierte nun das Phytohormon Auxin als Haupttreiber für die Energieproduktion während der Pollenreifung in Gerste.

Die Studie, erschienen in Aktuelle Biologiezeigt eine direkte Verbindung von Auxin zur Pollenfruchtbarkeit und stellt ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der Pflanzenzüchtung und einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltiger Landwirtschaft dar.

Nach einem langen Tag mit Spielen und Toben im Freien fragen wir uns manchmal, wie viel Nahrung kleine Kinder zu sich nehmen können. Je nach Lebensumständen ist ihr Energiebedarf unterschiedlich. Diese Variation in der Energieaufnahme tritt auch sehr früh in der Entwicklung auf, wenn unsere Zellen wachsen und reifen müssen, um sich in ihre verschiedenen Funktionen zu entwickeln. Während Schalter im Energiemanagement, reguliert durch bestimmte Hormone und Regulatoren, in tierischen Zellen sehr detailliert untersucht wurden, steht die Forschung während der Pflanzenentwicklung noch am Anfang.

Pflanzen betreiben Photosynthese für ihre Entwicklung und ihr Wachstum. Bei der Photosynthese wird Kohlendioxid zusammen mit Wasser und Energie in Form von Licht in Sauerstoff, Glukose (Zucker) und Stärke umgewandelt. Die Stärke wird als Energiedepot gespeichert, um zu gewährleisten, dass die Pflanze weiter wächst und sich entwickelt, wenn Energie aus Licht nicht verfügbar ist.

Stärkespeicher werden auch für die Entwicklung und das Wachstum von Getreidepollen benötigt. Ohne produzierte Stärke ist der Pollen nicht fruchtbar und die Pflanze kann sich nicht vermehren. Doch wie und wann sich die Stärke im Pollen tatsächlich aufbaut, blieb unklar.

Eine Frage der Energie

Da alle Bausteine ​​für die Stärkeproduktion aus der Mutterpflanze stammen, bleibt die Stärkeherstellung eine Frage der Energie als limitierender Faktor. In dieser Studie identifizierten die Forscher Auxin als das essentielle Hormon, um den Energiefluss während der Gerstenpollenreifung anzukurbeln. Auxin wird benötigt, um die Leistung der Gene und Signalwege zu erhöhen, die Energie in Form von ATP, Adenosintriphosphat, der molekularen Währungseinheit für Energietransaktionen in Zellen, erzeugen. Somit führt das Vorhandensein von aktivem Auxin zu einem erhöhten Fluss von Energieerzeugungswegen, was zu einer hohen Stärkeakkumulation im Pollen führt.

Bemerkenswerterweise entdeckte das Wissenschaftlerteam durch den Einsatz fortschrittlicher molekulargenetischer Technologien, dass Gerstenpollen unabhängig von der Mutterpflanze selbst Auxin produzieren kann. Sie identifizierten ein pollenspezifisches Enzym, nämlich HvYUCCA4, das für den letzten Schritt der Auxinsynthese verantwortlich ist. Die Forscher verwendeten eine mutierte Pflanze namens Male Sterile Genetic 38 (msg38), bei der HvYUCCA4 nicht funktionsfähig ist und der Pollen kein Auxin produzieren und keine Stärke speichern kann. Infolgedessen ist der Pollen von msg38-Pflanzen nicht fruchtbar. Mit Hilfe dieser Mutante erhielt das Team weitere Einblicke in den hochkomplexen, zeitkritischen Aufbau zur Herstellung von Stärke. Um eine erfolgreiche Pollenentwicklung zu gewährleisten, muss die Stärkeproduktion an einem bestimmten Punkt beginnen und abgeschlossen sein, kurz bevor der Pollen aus dem Staubbeutel, dem Organ, das den Pollen produziert und verteilt, freigesetzt wird. Auxin ist ein Signal, das das richtige Timing dieser Ereignisse koordiniert.

Folgen für die Landwirtschaft

Die Ergebnisse unterstreichen, wie ein tiefgreifendes biologisches Verständnis von Nutzpflanzen breite Anwendungen für die Landwirtschaft der Zukunft ermöglichen wird. Ein wichtiger Schritt zur Fruchtbarkeitskontrolle bei Gerste und anderen Kulturen und zur Entwicklung neuer Hybridlinien.

„Unsere Entdeckungen werden sowohl in der Pflanzengrundlagenforschung als auch in der angewandten Getreidezüchtung einen starken Einfluss haben“, sagt Acosta. „Gerstenpollen werden ein großartiges Modellsystem sein, um die Auxinsynthese und -signalisierung ohne die pleiotropen Effekte zu untersuchen, die üblicherweise mit Auxinmangel in anderen Pflanzen verbunden sind Kontrolle der männlichen Fruchtbarkeit bei Getreidekulturen; eine solche Strategie würde eine groß angelegte hybride Saatgutproduktion zwischen mehreren Elternpaaren ermöglichen, ein Traum eines Züchters, der nicht verwirklicht wird.“