Pflanzen können temperamentvoll sein. Sogar Unkraut am Straßenrand oder das Eindringen in die Ritzen von Betongehwegen kann durch Austrocknung, Kälte, überschüssiges Salz und mehr gestresst werden. Forscher der Universität Hiroshima haben 14 Gene identifiziert, die die Ackerschmalwand – eine Pflanze, die häufig für genetische Untersuchungen verwendet wird, da ihr Genom gut dokumentiert ist – stärker exprimiert, wenn sie auf fünf spezifische Stressfaktoren reagiert, sowie acht Gene, die die Pflanze unterdrückt.
Sie veröffentlicht ihre Ergebnisse im Journal Grenzen der Pflanzenwissenschaft.
„Abiotischer Stress wirkt sich – im Gegensatz zu biotischem Stress wie Schädlingen oder Krankheiten – wie Dürre, Salzgehalt und Kälte negativ auf das Pflanzenwachstum und die Ernteproduktivität aus. Das Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Reaktionen der Pflanzen auf diese Stressfaktoren zugrunde liegen, ist für die Stresstoleranz in Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung“, sagte Korrespondent Autor Hidemasa Bono, Professor im Labor für Genominformatik an der Graduate School of Integrated Sciences for Life der Universität Hiroshima. Bono ist außerdem mit dem Labor für Bio-DX im Genome Editing Innovation Center der Universität verbunden.
„Das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) ist bei abiotischen Stressfaktoren deutlich erhöht und löst physiologische Reaktionen zur Anpassung an Stress und zur Regulierung der Genexpression aus. Obwohl viele Studien die Komponenten etablierter Stresssignalwege untersucht haben, haben nur wenige andere unbekannte Elemente erforscht.“
Um die molekularen Wege, die den ABA-Anstieg ermöglichen, besser zu verstehen, analysierte das Forschungsteam öffentliche RNA-Sequenzierungsdaten von Ackerschmalwand oder Arabidopsis thaliana. RNA-Sequenzierung ist eine Technik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, spezifische Sequenzen genetischer Anweisungen, die in der RNA eines Organismus programmiert sind, zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese Daten können Aufschluss darüber geben, wie verschiedene Variablen die Expression bestimmter Gene erhöhen oder verringern können.
Bono und sein Team konzentrierten sich speziell auf fünf ABA-bedingte Stresszustände: ABA, wenn das Hormon direkt auf die Pflanze angewendet wird; Salz, das die Art und Weise verändert, wie die Pflanze Wasser nutzen kann; Dehydrierung oder wie viel Wasser die Pflanze hat; osmotisch, wenn Pflanzenzellen unangemessen anschwellen oder schrumpfen; und kalt.
„Die datengesteuerten Studien haben den Vorteil, große und unabhängige Datensätze zu analysieren, was zur Identifizierung neuer Ziele führen kann, die sich von den umfassend untersuchten etablierten Faktoren unterscheiden und die Entwicklung stresstoleranter Nutzpflanzen beschleunigen können“, sagte Bono.
Die Forscher führten eine Metaanalyse von 216 gepaarten Datensätzen durch, kombinierten diese Forschungsergebnisse und analysierten sie erneut, um herauszufinden, wo sich Daten überschneiden oder bisher unbekannte Zusammenhänge aufdecken könnten.
Die Metaanalyse ergab, dass bei allen fünf untersuchten ABA-bezogenen Stressreaktionen 14 Gene häufig hochreguliert und acht Gene häufig herunterreguliert waren. Bono stellte fest, dass einige Gene, die durch Salz, Dehydrierung und osmotische Behandlungen reguliert werden, nicht durch ABA oder Kältestress reguliert werden, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise über einen anderen Signalweg an der Pflanzenreaktion beteiligt sind.
„Unsere Metaanalyse ergab eine Liste von Kandidatengenen mit unbekannten molekularen Mechanismen bei ABA-abhängigen und ABA-unabhängigen Stressreaktionen“, sagte Bono.
„Diese Gene könnten wertvolle Ressourcen für die Auswahl von Genome-Editing-Zielen sein und möglicherweise zur Entdeckung neuartiger Stresstoleranzmechanismen und -pfade in Pflanzen beitragen. Wir werden weiterhin Methoden entwickeln und Daten aus öffentlichen Datenbanken nutzen und vergleichende Analysen aus verschiedenen Blickwinkeln durchführen, um das zu entschlüsseln.“ unbekannte Mechanismen der Stressreaktion in Pflanzen.“
Mehr Informationen:
Mitsuo Shintani et al., Metaanalyse öffentlicher RNA-Sequenzierungsdaten von Abscisinsäure-bedingtem abiotischem Stress bei Arabidopsis thaliana, Grenzen der Pflanzenwissenschaft (2024). DOI: 10.3389/fpls.2024.1343787