C4-Pflanzen zeichnen sich durch eine einzigartige Blattstruktur aus, die als Kranz-Anatomie bekannt ist und durch innere Gefäßbündelhüllenzellen und äußere Mesophyllzellen gekennzeichnet ist. Diese spezielle Anordnung verleiht C4-Pflanzen gegenüber C3-Pflanzen mehrere Vorteile, darunter höhere Photosyntheseraten und eine überlegene Stickstoff- und Wassernutzungseffizienz.
Diese Kranz-Struktur definiert nicht nur C4-Pflanzenblätter, sondern stellt auch ein zentrales Merkmal beim Übergang von der C3- zur C4-Photosynthese dar. Es wurde lange angenommen, dass die Erhöhung der Gefäßbündeldichte ein wichtiger erster Schritt in der Evolution von C4-Pflanzen ist. Die regulatorischen Mechanismen, die die Blattaderdichte steuern, sind jedoch noch unklar.
Das SHR-Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, von dem bereits gezeigt wurde, dass er die Entwicklung der Wurzelrinde und die Knötchenbildung in Hülsenfrüchten reguliert. Interessanterweise enthüllt diese Studie eine neuartige Rolle von SHR bei der Modulation der Gefäßbündeldichte in Blättern. Konkret hemmen Mutationen im SHR-Gen die Zellteilung des Mesophylls und erhöhen die Blattaderndichte sowohl bei Reis als auch bei Mais.
Umgekehrt stimuliert die Überexpression von SHR aus verschiedenen Pflanzenarten (einschließlich Luzerne, Reis und Mais) die Zellteilung des Mesophylls stark und verringert die Blattaderndichte in Reis und Mais erheblich. Darüber hinaus lokalisieren SHR-Proteine sowohl in Bündelscheiden- als auch in Mesophyllzellen in Reis und Mais, wobei eine erhöhte native SHR-Expression den Phänotyp von SHR-Überexpressionslinien rekapituliert.
Diese Ergebnisse weisen auf eine umgekehrte Beziehung zwischen der SHR-Proteinhäufigkeit und der Blattvenendichte hin. Darüber hinaus fördert die Behandlung mit exogenem Auxin die Blattadernbildung im Reis. Interessanterweise gelang es den Forschern durch die gleichzeitige Erhöhung des SHR- und Auxinspiegels in Reisblättern, erfolgreich C4-ähnliche Venenmuster in Reis zu erzeugen.
Viele frühere Studien haben gezeigt, dass sowohl der SHR- als auch der Auxinspiegel in C4-Geweben im Vergleich zu C3-Geweben einen signifikanten Anstieg erfahren. In Kombination mit den Ergebnissen dieser Studie schlagen die Autoren vor, dass eine synergistische Hochregulierung von SHR und Auxin der Schlüsselfaktor für die Verschiebung von C3- zu C4-Gefäßbündelmustern bei Monokotyledonen sein könnte.
Aus evolutionärer Sicht hätte ein gleichzeitiger Anstieg von SHR und Auxin sowohl zu einem verstärkten Wachstum der Mesophyllzellen als auch zu einer beschleunigten Venendifferenzierungsrate bei C4-Einkeimblättrigen im Vergleich zu C3-Vorfahren führen können.
Zusammenfassend werfen diese Ergebnisse Licht auf das antagonistische Zusammenspiel zwischen SHR und Auxin, liefern wichtige Einblicke in die Bildung von C4-Adern und eröffnen möglicherweise einen spannenden Weg zur Verbesserung der Photosyntheseeffizienz von C3-Pflanzen.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftsbulletin.
Mehr Informationen:
Wentao Dong et al., Schaffung eines C4-ähnlichen Venenmusters in Reis durch Manipulation der SHORT ROOT- und Auxinspiegel, Wissenschaftsbulletin (2023). DOI: 10.1016/j.scib.2023.10.005