Trockenstress stellt eine erhebliche Bedrohung für das Überleben von Pflanzen dar und beeinträchtigt Wachstum und Produktivität. Transkriptionsfaktoren, insbesondere NAC-Proteine, spielen eine entscheidende Rolle bei der Reaktion von Pflanzen auf abiotischen Stress.
Trotz umfangreicher Forschung sind die Mechanismen, durch die NAC-Proteine Dürretoleranz verleihen, noch nicht vollständig verstanden. Es wurde gezeigt, dass Phosphorylierung, eine häufige posttranslationale Modifikation, die Proteinfunktion bei Stressreaktionen reguliert.
Aufgrund dieser Herausforderungen muss untersucht werden, wie sich die Phosphorylierung auf die NAC-Proteinfunktion bei der Dürretoleranz auswirkt.
Ein Team der Northeast Forestry University veröffentlichte eine Studie in Gartenbauforschung am 28. Februar 2024, untersucht die Rolle der Phosphorylierung bei der Trockenheitstoleranz von Birken.
Die Studie konzentriert sich auf den NAC-Transkriptionsfaktor BpNAC90 und zeigt, dass seine Phosphorylierung an Serin 205 die Dürretoleranz erhöht, indem sie die Aktivierung stressempfindlicher Gene verbessert. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die molekularen Mechanismen der Dürretoleranz bei Pflanzen.
Die Studie nutzte RNA-Sequenzierung und Chromatin-Immunpräzipitationssequenzierung, um durch BpNAC90 regulierte Gene zu identifizieren. Die Forscher fanden heraus, dass BpNAC90 an bestimmte DNA-Motive wie Eomes2, ABRE und Tgif2 bindet, um Gene zu aktivieren, die an der Dürretoleranz beteiligt sind.
Die Überexpression von BpNAC90 in Birken führte zu einem erhöhten Prolingehalt, gesteigerten Superoxiddismutase- (SOD) und Peroxidase- (POD) Aktivitäten und reduzierten reaktiven Sauerstoffspezies- (ROS) Werten. Im Gegensatz dazu zeigten Knockout-Linien eine verringerte Dürreresistenz. Ein Schlüsselergebnis war die Phosphorylierung von BpNAC90 an Serin 205 durch die Proteinkinase BpSRK2A unter Dürrebedingungen.
Diese Phosphorylierung verstärkte die DNA-Bindungsaffinität von BpNAC90 und seine Fähigkeit, Zielgene zu aktivieren. Das mutierte BpNAC90 (S205A), das nicht phosphoryliert werden kann, zeigte eine reduzierte, aber nicht aufgehobene Dürretoleranz, was die Bedeutung der Phosphorylierung für die Funktion von BpNAC90 unterstreicht.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Phosphorylierung von BpNAC90 für seine Rolle bei der Vermittlung von Dürretoleranz durch die Regulierung der Prolinbiosynthese und der ROS-Beseitigung von entscheidender Bedeutung ist.
Dr. Yucheng Wang, einer der korrespondierenden Autoren, sagte: „Unsere Ergebnisse enthüllen einen entscheidenden Aspekt der Reaktion von Birken auf Trockenstress auf molekularer Ebene. Die Phosphorylierung von BpNAC90 verbessert seine Fähigkeit, Gene zu regulieren, die an der Stresstoleranz beteiligt sind, erheblich. Diese Entdeckung könnte zur Entwicklung dürreresistenterer Nutzpflanzen führen, indem ähnliche Mechanismen bei anderen Pflanzenarten anvisiert werden.“
Das Verständnis der Rolle der BpNAC90-Phosphorylierung bei der Dürretoleranz eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen. Durch die Manipulation ähnlicher Phosphorylierungswege können Forscher Nutzpflanzen mit erhöhter Toleranz gegenüber Dürre und anderen abiotischen Belastungen entwickeln.
Laut den Autoren bildet diese Studie eine Grundlage für künftige Forschungen mit dem Ziel, die Stresstoleranz wirtschaftlich bedeutender Pflanzen zu verbessern und so angesichts des Klimawandels zu einer nachhaltigen Landwirtschaft und Ernährungssicherheit beizutragen.
Mehr Informationen:
Zhibo Wang et al., Phosphorylierung von Birken-BpNAC90 verbessert die Aktivierung der Genexpression, um Dürretoleranz zu verleihen, Gartenbauforschung (2024). DOI: 10.1093/hr/uhae061