Der Klimawandel beeinträchtigt bereits jetzt die landwirtschaftlichen Erträge und könnte dies eines Tages auch tun stellen eine erhebliche Bedrohung dar zur weltweiten Nahrungsmittelversorgung. Die Entwicklung widerstandsfähigerer Nutzpflanzen, einschließlich solcher, die trotz Dürre oder hohem Salzgehalt im Boden gedeihen können, wird immer dringlicher.
Eine neue Studie der Keck School of Medicine der USC enthüllt Details darüber, wie Pflanzen ihre Reaktionen auf Stress regulieren, die sich als entscheidend für diese Bemühungen erweisen könnten.
Forscher fanden heraus, dass Pflanzen ihre zirkadianen Uhren nutzen, um auf Veränderungen des externen Wasser- und Salzgehalts im Laufe des Tages zu reagieren. Derselbe Schaltkreis – eine elegante Rückkopplungsschleife, die von einem Protein namens ABF3 gesteuert wird – hilft Pflanzen auch, sich an extreme Bedingungen wie Trockenheit anzupassen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Die Quintessenz ist, dass die Pflanzen an Ort und Stelle stecken bleiben. Sie können nicht herumlaufen und sich einen Schluck Wasser holen. Sie können sich nicht in den Schatten bewegen, wann immer sie wollen, oder sich von Böden mit überschüssigem Salz entfernen. Aus diesem Grund können sie „haben sich so entwickelt, dass sie ihre zirkadianen Uhren nutzen, um ihre Umgebung exquisit zu messen und sich an sie anzupassen“, sagte der leitende Autor der Studie, Steve A. Kay, Ph.D., Universitäts- und Provost-Professor für Neurologie, Biomedizintechnik und Quantitative Computational Biology am Keck School of Medicine und Direktor des USC Michelson Center for Convergent Bioscience.
Die Ergebnisse bauen auf einer langen Reihe von Forschungen aus Kays Labor zur Rolle zirkadianer Uhrproteine in Pflanzen und Pflanzen auf Tiere. Uhrenproteine, die biologische Veränderungen im Tagesverlauf regulieren, könnten eine kluge Lösung für eine anhaltende Herausforderung in der Pflanzentechnik sein.
Die Entwicklung dürreresistenter Pflanzen ist schwierig, da Pflanzen auf Stress reagieren, indem sie ihr eigenes Wachstum und ihre Entwicklung verlangsamen – eine übertriebene Stressreaktion bedeutet, dass die Pflanze leistungsschwach ist.
„Es besteht ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Steigerung der Stresstoleranz einer Pflanze und der Maximierung ihres Wachstums und Ertrags“, sagte Kay. „Die Lösung dieser Herausforderung wird durch den Klimawandel umso dringlicher.“
Die Feedbackschleife finden
Frühere pflanzenbiologische Untersuchungen haben gezeigt, dass Uhrenproteine etwa 90 % der Gene in Pflanzen regulieren und für deren Reaktionen auf Temperatur, Lichtintensität und Tageslänge, einschließlich saisonaler Veränderungen, die den Zeitpunkt der Blüte bestimmen, von zentraler Bedeutung sind. Eine große offene Frage war jedoch, ob und wie Uhrenproteine die Art und Weise steuern, wie Pflanzen mit sich ändernden Wasser- und Bodensalzgehalten umgehen.
Um den Zusammenhang zu untersuchen, untersuchten Kay und sein Team Arabidopsis, eine Pflanze, die häufig in der Forschung verwendet wird, weil sie klein ist, einen schnellen Lebenszyklus hat, ein relativ einfaches Genom hat und gemeinsame Merkmale und Gene mit vielen landwirtschaftlichen Nutzpflanzen teilt.
Sie erstellten eine Bibliothek aller mehr als 2.000 Arabidopsis-Transkriptionsfaktoren, bei denen es sich um Proteine handelt, die die Art und Weise steuern, wie Gene unter verschiedenen Umständen exprimiert werden. Transkriptionsfaktoren können wichtige Erkenntnisse über die Regulierung biologischer Prozesse liefern. Anschließend bauten die Forscher eine Datenanalyse-Pipeline auf, um jeden Transkriptionsfaktor zu analysieren und nach Zusammenhängen zu suchen.
„Wir erlebten eine wirklich große Überraschung: Viele der Gene, die die Uhr regulierte, waren mit Dürrereaktionen verbunden“, sagte Kay, insbesondere diejenigen, die das Hormon Abscisinsäure steuern, eine Art Stresshormon, das Pflanzen produzieren, wenn der Wasserstand sehr hoch ist sehr niedrig.
Die Analyse ergab, dass der Abscisinsäurespiegel durch Uhrenproteine sowie den Transkriptionsfaktor ABF3 in einer von Kay als „homöostatischer Rückkopplungsschleife“ bezeichneten Form gesteuert wird. Im Laufe eines Tages regulieren Uhrproteine ABF3, um Pflanzen dabei zu helfen, auf sich ändernde Wasserstände zu reagieren. Anschließend gibt ABF3 Informationen an Uhrproteine zurück, um die Stressreaktion unter Kontrolle zu halten. Derselbe Kreislauf hilft Pflanzen, sich anzupassen, wenn die Bedingungen extrem werden, beispielsweise während einer Dürre. Genetische Daten zeigten auch einen ähnlichen Prozess für den Umgang mit Veränderungen des Salzgehalts im Boden.
„Das Besondere an diesem Kreislauf ist, dass er es der Pflanze ermöglicht, auf äußeren Stress zu reagieren und gleichzeitig ihre Stressreaktion unter Kontrolle zu halten, sodass sie weiter wachsen und sich entwickeln kann“, sagte Kay.
Bessere Nutzpflanzen entwickeln
Die Ergebnisse deuten auf zwei neue Ansätze hin, die dazu beitragen können, die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen zu stärken. Zum einen können landwirtschaftliche Züchter nach natürlich vorkommender genetischer Vielfalt im zirkadianen ABF3-Kreislauf suchen und diese selektieren, was den Pflanzen einen leichten Vorteil bei der Reaktion auf Wasser- und Salzstress verschafft. Selbst eine kleine Steigerung der Widerstandsfähigkeit könnte den Ernteertrag im großen Maßstab erheblich verbessern.
Kay und seine Kollegen planen außerdem, einen genetischen Modifikationsansatz zu erforschen, indem sie CRISPR verwenden, um Gene zu manipulieren, die ABF3 fördern, um hoch dürreresistente Pflanzen zu entwickeln.
„Dies könnte ein bedeutender Durchbruch bei der Überlegung sein, wie Nutzpflanzen so angepasst werden können, dass sie dürreresistenter werden“, sagte Kay.
Die weiteren Autoren der Studie sind neben Kay Tong Liang, Shi Yu, Yuanzhong Pan und Jiarui Wang von der Abteilung für Neurologie der Keck School of Medicine der University of Southern California.
Mehr Informationen:
et al., Das Zusammenspiel zwischen der zirkadianen Uhr und abiotischen Stressreaktionen, vermittelt durch ABF3 und CCA1/LHY, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2316825121. doi.org/10.1073/pnas.2316825121.