Pflanzen sind seit Jahrhunderten die Hauptquelle unserer Nahrung. Da die menschliche Bevölkerung schnell wächst, steigt die Nachfrage nach Nahrungsmitteln kontinuierlich an. Da landwirtschaftliche Flächen begrenzt sind, erfordert die Erfüllung dieser steigenden Nachfrage, Wege zu finden, um die Produktivität der Nahrungsmittelpflanzen aus bestehenden Anbauten zu verbessern. Die „Pflanzenarchitektur“, also das Design der Kulturpflanze, kann einen großen Einfluss auf deren Ertrag haben. Die Identifizierung von Pflanzenarchitekturmustern und der zugrunde liegenden Biologie könnte daher dazu beitragen, die landwirtschaftliche Produktivität zu verbessern.
In einer neuen Studie veröffentlicht in Das Erntejournal, ist ein Forscherteam aus China nun tiefer in die genetischen Grundlagen der Kulturpflanzenarchitektur eingedrungen, wobei Reis als Modellpflanzensystem verwendet wurde. Blätter sind der primäre Ort für die Photosynthese, den Prozess, bei dem Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie in Form von Nahrung umwandeln. Darüber hinaus bestimmt die „Blattneigung“ oder der Winkel, in dem das Blatt aus dem Stängel austritt, seine Sonneneinstrahlung und damit seine Photosyntheseleistung. In ihrer Studie identifizierten die Forscher genetische Faktoren, die die Blattneigung bei Reis, Oryza sativa, steuern. Professor Hongwei Xue, der die Studie leitete, gibt weitere Einblicke in die Auswirkungen ihrer Arbeit und erklärt: „Die Blattneigung ist ein wichtiges Merkmal, das die Form des lichtempfangenden Teils des Reisblatts bestimmt. Genetische Varianten mit einem Blattwinkel identifizieren die eine ideale Pflanzenarchitektur begünstigt, kann bei der Züchtung von Reissorten mit höherer Produktivität helfen und den Ertrag verbessern.“
Es ist bekannt, dass mehrere Pflanzenhormone, insbesondere „Auxin“ und „Brassinosteroide“ (BRs), die Blattneigung regulieren. Interessanterweise zeigen Mutanten, denen BRs fehlen, eine aufrechte Blattarchitektur mit verringerter Neigung, während Reispflanzen mit verringertem Auxinspiegel eine erhöhte Blattneigung aufweisen. Es wurde gezeigt, dass Auxin-Mutanten mit verändertem Blattwinkel veränderte BR-Antworten zeigen. Die genauen Mechanismen, die diese Effekte steuern, sind jedoch noch unbekannt.
Um das Auxin-BR-Crosstalk zu verstehen, begannen die Forscher mit dem Screening einer Reis-T-DNA-Insertionspopulation und identifizierten eine Auxin-unempfindliche Mutante arr1. Die Mutation wurde durch Genomanalyse bestätigt. Funktionell zeigten die mutierten Pflanzen bei Behandlung mit einem Auxin-Stimulans im Vergleich zu Wildtyp-Pflanzen signifikant niedrigere Spiegel an Auxin-Signalfaktoren wie OsIAA1, OsIAA9, OsIAA19 und OsIAA24.
Als nächstes fuhren sie fort, die Blattneigung und die Laminaverbindung (Region, die die Blattspreite und die Scheide/den Stiel verbindet) von Wildtyppflanzen und arr1 zu vergleichen. Bemerkenswerterweise hatte die arr1-Mutante im Vergleich zum Wildtyp vergrößerte Blattwinkel. Darüber hinaus waren die adaxialen Zellen (Zellen näher am Stiel) am Blattgelenk der Mutante doppelt so lang wie die der Wildtyppflanzen, was zu einer vergrößerten Neigung beitrug.
Die genetische Analyse ergab, dass die arr1-Mutante eine erhöhte Expression des OsIAA6-Gens aufwies, was zu einer erhöhten Blattneigung aufgrund eines Gain-of-Function des Proteins führte. Ein deutlich hohes Expressionsmuster von OsIAA6 in den Laminagelenken deutete auch auf seine Rolle bei der Bestimmung des Blattwinkels hin.
Bei der Untersuchung der Interaktionspartner von OsIAA6 fanden die Forscher heraus, dass OsIAA6 die Blattneigung regulierte, indem es den Auxin-Reaktionsfaktor OsARF1 unterdrückte. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass OsBZR1, der Schlüsseltranskriptionsfaktor im BR-Signalweg, an den Promotor von OsIAA6 bindet und dessen Expression reguliert, was auf die Rolle von OsIAA6 im Crosstalk des Auxin-BR-Wegs hindeutet.
Diese Ergebnisse legen nahe, dass OsIAA6 als Bindeglied zwischen den Auxin- und BR-Signalwegen bei der Vermittlung der Blattneigung fungiert, eine Erkenntnis, die neue Wege für die Entwicklung von Reispflanzensorten mit höherer photosynthetischer Effizienz eröffnen könnte.
„Bessere Pflanzen können zu einem besseren Leben führen. Die Ergebnisse unserer Studie könnten zu einem besseren Verständnis des Pflanzenwachstums beitragen und helfen, die idealen Nutzpflanzen zu entwickeln“, kommentiert Prof. Xue.
Es ist sicherlich ein Schritt nach vorn bei der Steigerung der Reisproduktion, dem Grundnahrungsmittel für die Mehrheit der menschlichen Bevölkerung.
Meiqing Xing et al, Rice OsIAA6 interagiert mit OsARF1 und reguliert die Blattneigung, Das Erntejournal (2022). DOI: 10.1016/j.cj.2022.02.010
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