Forscher des Nagoya University Institute of Transformative Biomolecules (WPI-ITbM) in Japan und ihre Kollegen haben eine chemische Verbindung identifiziert und derivatisiert, die die Spaltöffnungsdichte in Modellpflanzen effektiv reguliert. Spaltöffnungen sind für die Wasserregulierung von entscheidender Bedeutung.
Da die Umwelt immer unvorhersehbarer wird, wird die Steuerung des Wasserverbrauchs für Pflanzen während Dürreperioden durch chemische Methoden immer wichtiger. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in veröffentlicht Naturkommunikation.
Die Manipulation von Proteininteraktionen mithilfe chemischer Verbindungen revolutioniert die Biologie, da sie es Forschern ermöglicht, komplexe Prozesse im Zielorganismus zu beeinflussen. In der Pflanzenbiologie versprechen diese Ansätze die Schaffung haltbarerer oder nährstoffreicherer Nutzpflanzen.
Das Universitätsteam unter der Leitung von Ayami Nakagawa und Keiko Torii synthetisierte Stomidazolon, eine chemische Verbindung, die die Stomata-Differenzierung in Pflanzen hemmt.
Stomata sind mikroskopisch kleine Poren, die sich auf der Oberfläche von Pflanzenblättern befinden. Sie sind für die Photosynthese und Transpiration unerlässlich. Bei der Photosynthese wird Lichtenergie in Glukose und Sauerstoff umgewandelt, während bei der Transpiration Wasserdampf aus den Blättern verloren geht, was den Nährstofftransport und die Temperaturkontrolle unterstützt.
„Unsere Forschungsgruppe (Torii-Gruppe) hat zahlreiche kleine Moleküle untersucht, um neue Faktoren zu identifizieren, die die Stomata-Entwicklung untersuchen und manipulieren können. Wir fanden Stomidazolon, das ideal war, da es das Pflanzenwachstum nicht beeinträchtigt, aber Stomata reduziert und durch eine einfache Behandlung angewendet werden kann.“ „, erklärte Nakagawa.
„Die Reduzierung der Stomata-Dichte führt im Prinzip dazu, dass Pflanzen weniger Wasser durch Transpiration verlieren, was ihnen hilft, in trockenen Umgebungen Feuchtigkeit zu bewahren, ohne das Wachstum zu behindern.“
Die stomatale Entwicklung wird durch spezifische Proteine reguliert, die als Basic-Helix-Loop-Helix-Proteine bezeichnet werden. In Pflanzen paart sich das Protein MUTE mit einem anderen namens SCREAM, um Stomata zu bilden. Mithilfe umfassender Gentests und biophysikalischer Analysen entdeckte das Forschungsteam, dass Stomidazolon durch die Bindung an eine einzigartige Proteindomäne, die sogenannte ACT-ähnliche Domäne von MUTE, funktioniert, die es daran hindert, sich mit SCREAM zu verbinden.
Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelte die Gruppe auch MUTE-Proteine mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen Stomidazolon bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer Funktion.
„Als diese modifizierten MUTE-Proteine in Pflanzen getestet wurden, entwickelten sie auch in Gegenwart von Stomidazolon weiterhin Spaltöffnungen“, sagte Nakagawa. „Dadurch wurde gezeigt, dass wir mit präzisen chemischen Eingriffen die Pflanzenentwicklung gezielt steuern können.“
Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt beim Einsatz chemischer Verbindungen zur gezielten Bekämpfung bestimmter Proteine dar und zielt darauf ab, entscheidende biologische Funktionen zu regulieren.
Dr. Torii erklärt ihre Vision: „Durch die Erweiterung der verfügbaren chemischen Werkzeuge zur Manipulation der Pflanzenentwicklung vertiefen wir unser Verständnis dafür, wie Pflanzen wachsen, und erschließen neue Möglichkeiten für landwirtschaftliche Innovationen mithilfe der Stoma-Kontrolle. Ich hoffe, dass unsere Forschung dazu beitragen wird, Nutzpflanzen zu entwickeln, die darin gedeihen können.“ anspruchsvolle und trockene Umgebungen.“
Weitere Informationen:
Chemische Hemmung der stomatalen Differenzierung durch Störung des masterregulierenden bHLH-Heterodimers über eine ACT-ähnliche Domäne, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53214-4