Kupfer lässt Samenkapseln explodieren

Pflanzen haben zahlreiche Strategien entwickelt, um ihre Samen weit zu verbreiten. Einige streuen ihre Samen in den Wind, während andere Tiere und Vögel dazu verleiten, ihre mit Samen gefüllten Früchte zu essen. Und einige seltene Pflanzen – wie die Popping Cress Cardamine hirsuta – haben explodierende Samenkapseln entwickelt, die ihre Samen in alle Richtungen treiben. In ihrer neuen Studie veröffentlicht in PNASAngela Hay und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln untersuchen, welche Gene die mechanische Struktur dieser explodierenden Samenkapseln steuern.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass ein wichtiger Mikronährstoff – Kupfer – für die Festlegung eines präzisen Ligninmusters in den Samenkapseln unerlässlich ist. Lignin ist ein reichlich vorhandenes Pflanzenpolymer, das in Lignozellulose vorkommt, dem Hauptstrukturmaterial in Pflanzen. Es kommt in Pflanzenzellwänden vor und ist dafür verantwortlich, dass Holz steif wird.

Samenkapseln von C. hirsuta bestehen aus zwei langen Schalen. Wenn die Samen zur Verbreitung bereit sind, trennen sich diese Ventile schnell und rollen sich zurück, wodurch die Samen über einen großen Bereich abgefeuert werden. Das Geheimnis der explosiven Natur dieser Kapseln ist ihr einzigartiges mechanisches Design, das aus drei steifen Ligninstäben besteht, die durch Scharniere verbunden sind. Diese Scharniere sind entscheidend für die explosionsartige Freisetzung von potenzieller Energie, die in der Kapsel gespeichert ist. Um diese Scharnierstrukturen zu erzeugen, wird Lignin in einem präzisen Muster in einer einzelnen Schicht von Samenkapselzellen, Endokarp b genannt, abgelagert.

Wie Hay erklärt, „hängt das mechanische Design, das es diesen Kapseln ermöglicht, zu explodieren, davon ab, dass Lignin in dieser einzelnen Zellschicht in einem präzisen Muster abgelagert wird. Wir wissen wenig darüber, was dieses Muster der Ligninablagerung steuert, und so machten wir uns an die Identifizierung die Gene, die diesen Prozess steuern. Wir haben drei Gene gefunden, die erforderlich sind, um die Zellwand in explodierenden Samenkapseln zu verholzen. Diese Gene codieren für Enzyme, sogenannte Laccasen, die Lignin polymerisieren. Wenn C. hirsuta-Pflanzen alle drei Laccase-Gene fehlen, fehlen ihnen auch fehlt Lignin in diesem spezifischen Zelltyp.“

Das Forschungsteam entdeckte auch ein weiteres Gen namens SPL7, das für die Verholzung der Samenkapsel von C. hirsuta erforderlich ist. Dieses Gen kodiert für ein Protein, das den Kupferspiegel in Pflanzen reguliert. Die Forscher entdeckten SPL7 in einem Mutantenscreen. Mutierten Pflanzen, denen dieses Gen fehlt, fehlt auch Lignin in den Endocarpb-Zellwänden. Ohne Lignin könnten sie ihre Samen nicht mehr weit verbreiten. Diese Effekte wurden umgekehrt, wenn die SPL7-Mutantenpflanzen in Erde mit hohem Kupfergehalt gezüchtet wurden, aber nicht, wenn sie in Erde mit niedrigem Kupfergehalt gezüchtet wurden. SPL7 hilft daher C. hirsuta-Pflanzen, genügend Kupfer aufzunehmen, um vollständig explodierende Samenkapseln zu entwickeln, insbesondere wenn der Kupfergehalt niedrig ist.

Aber wie beeinflusst Kupfer die mechanische Struktur dieser explodierenden Samenkapseln?

Interessanterweise sind Laccasen kupferbindende Proteine, deren Funktion auf Kupfer angewiesen ist. „Die Verbindung zwischen diesen beiden Funden ist Kupfer“, sagt Hay. „Pflanzen brauchen SPL7, um mit zu wenig Kupfer im Boden fertig zu werden, und Laccasen müssen Kupfer für ihre enzymatische Aktivität binden. Da Lignin für die Mechanik der explodierenden Samenkapseln entscheidend ist und kupferbedürftige Laccasen diese Verholzung regulieren, entsteht daraus Samen Ausbreitung abhängig von der Kontrolle des Kupfergehalts durch SPL7.“

Diese Ergebnisse liefern wichtige neue Einblicke in die Gene und zellulären Prozesse, die diese außergewöhnlichen explodierenden Strukturen erzeugen. Sie werfen auch ein neues Licht auf die Rolle von Kupfer in diesem Prozess und auf den noch wenig verstandenen Prozess der Verholzung selbst. Ein Grund dafür ist, dass große Familien von Genen an der Ligninpolymerisation in pflanzlichen Zellwänden beteiligt sind. Herauszufinden, wie jedes Gen beteiligt ist, ist daher eine Herausforderung, die jedoch mit in dieser Studie beschriebenen Ansätzen wie CRISPR/Cas9-Geneditierung und konditionaler Genexpression angegangen werden könnte.

Kupfermangel im Boden wirkt sich auf viele verschiedene Arten auf Pflanzen und Bäume aus und wird durch den Einsatz von Kupferdüngemitteln bekämpft. Es ist ein besonderes Problem für die Forstwirtschaft, da ein niedriger Kupfergehalt zu einer Schwächung der Bäume aufgrund einer schlechten Verholzung führen kann. „Unsere Arbeit stellt über SPL7 und Laccasen eine molekulare Verbindung zwischen Kupfer und Lignin her. Diese Erkenntnisse könnten zu neuen Ansätzen für eine nachhaltige Waldbewirtschaftung inspirieren“, erklärt Hay.

Diese Erkenntnisse könnten in Zukunft auch für eine nachhaltigere Produktion von Biokraftstoffen wichtig sein. Verholzte Zellwände stellen eine Herausforderung für die Biokraftstoffproduktion dar, da sie widerstandsfähig gegen Abbau sind und daher durch teure und energieintensive Vorbehandlungen abgebaut werden müssen. Hay merkt an: „Unsere Arbeit identifiziert drei Laccasen, die die Ligninbildung in einem bestimmten Zelltyp kontrollieren. Das Verständnis der genetischen Kontrolle der Ligninpolymerisation über verschiedene Zelltypen und Pflanzenarten hinweg kann neue Grenzen in der Bioenergie auf der Grundlage von Zellwand-Engineering eröffnen.“