Pflanzen richten ihre Organe als Reaktion auf den Schwerkraftvektor aus, wobei die Wurzeln in Richtung der Schwerkraft wachsen und die Triebe in die entgegengesetzte Richtung wachsen. Die Bewegung von Statolithen als Reaktion auf die Neigung relativ zum Schwerkraftvektor wird zur Schwerkraftmessung bei Pflanzen und Tieren genutzt. Bei Pflanzen hat der Statolith jedoch die Form eines hochdichten Organells, eines sogenannten Amyloplasten, das sich in Richtung der Schwerkraft innerhalb der Schwerkraftmesszelle ansiedelt.
Trotz der Bedeutung dieses Mechanismus zur Erfassung der Schwerkraft ist der genaue Prozess dahinter den Wissenschaftlern über ein Jahrhundert lang verborgen geblieben. Eine bahnbrechende Studie unter der Leitung von Professor Miyo Terao Morita am National Institute for Basic Biology (NIBB) in Japan hat gezeigt, dass die Translokation von Signalproteinen von Amyloplasten zur Plasmamembran der Schlüssel zur Entschlüsselung dieses rätselhaften Mechanismus ist.
Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Mit der Schwerkraftmessung verbundene Zellpolarität wird durch LZY-Translokation von Statolithen zur Plasmamembran erzeugt“ ist jetzt verfügbar in Wissenschaft vor dem Druck.
Jahrelang spekulierten Forscher über den Mechanismus der Schwerkrafterfassung, mit Hypothesen wie dem Krafterfassungsmodell und der Positionserfassungshypothese. Eindeutige Beweise für beides blieben jedoch bisher schwer zu finden. In ihrer früheren Arbeit entdeckte das Team, dass Arabidopsis LAZY1-LIKE (LZY)-Proteine eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung durch die Schwerkraft spielen, mit polarer Lokalisierung an der Plasmamembran auf der Seite der Schwerkraft. Der genaue Mechanismus, der diese bemerkenswerte Lokalisierung begründet, blieb jedoch unbekannt.
Durch ausgefeilte Bildgebungstechniken für lebende Zellen, darunter Vertikaltischmikroskopie und optische Pinzetten, gelang dem Forschungsteam ein bedeutender Durchbruch. Sie fanden heraus, dass LZYs nicht nur an der Plasmamembran in der Nähe von Amyloplasten lokalisiert sind, sondern auch an den Amyloplasten selbst. „Die Lokalisierung von LZYs in der Plasmamembran hat uns überrascht, da sie durch die unmittelbare Nähe von Amyloplasten zur Membran entsteht“, erklärte Takeshi Nishimura, Assistenzprofessor am NIBB und Erstautor der Studie.
„Wir haben gezeigt, dass die Lokalisierung sowohl auf der Plasmamembran als auch auf Amyloplasten für die Schwerkraftsignalisierung in Wurzeln notwendig ist, was auf ihre grundlegende Rolle in diesem Prozess hinweist“, fügte Hiromasa Shikata, Assistenzprofessor am NIBB und Co-Erstautor, hinzu.
Professor Miyo Terao Morita betonte weiter: „LZYs fungieren als Signalmoleküle und übertragen Positionsinformationen von Amyloplasten zur Plasmamembran, wo die Regulierung des Auxintransports stattfindet.“ Diese Entdeckung liefert überzeugende Unterstützung für die „Positionssensor-Hypothese“, die die Schwerkrafterfassung in Pflanzen durch die Nähe oder den Kontakt zwischen Statolithen und der Plasmamembran erklärt.
LAZY1 wurde ursprünglich als das verantwortliche Gen für die Reis-Gravitropismus-Mutante identifiziert. Seine Gegenstücke sind in verschiedenen Landpflanzen konserviert, was ihre grundlegende Bedeutung deutlich macht. Der charakteristische „faule“ Phänotyp, der durch die seitliche Ausbreitung von Zweigen und Wurzeln gekennzeichnet ist, hat sich in Mutanten dieser Gene in verschiedenen Pflanzenarten, einschließlich Nutzpflanzen, manifestiert. Weitere Studien zu LZY könnten sich auf die Technologie zur Steuerung der Anlagenarchitektur und -produktion auswirken.
Mehr Informationen:
Takeshi Nishimura et al. Die mit der Schwerkraftmessung verbundene Zellpolarität wird durch LZY-Translokation von Statolithen zur Plasmamembran erzeugt. Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh9978. www.science.org/doi/10.1126/science.adh9978