Neue Studie wirft Licht auf Hormon, das die Verzweigung steuert

Für viele Pflanzen bedeuten mehr Äste mehr Früchte. Aber was bringt eine Pflanze dazu, Äste zu bilden? Neue Forschungsergebnisse der University of California in Davis zeigen, wie Pflanzen das Hormon Strigolacton abbauen, das die Verzweigung unterdrückt, um „buschiger“ zu werden. Das Verständnis der Regulierung von Strigolacton könnte für viele Nutzpflanzen große Auswirkungen haben.

Die Studie war veröffentlicht 1. August in Naturkommunikation.

„Die Fähigkeit, Strigolacton zu manipulieren, könnte auch Auswirkungen über die Pflanzenarchitektur hinaus haben, beispielsweise auf die Widerstandsfähigkeit einer Pflanze gegenüber Dürre und Krankheitserregern“, sagte der leitende Autor Nitzan Shabek, außerordentlicher Professor an der Abteilung für Pflanzenbiologie der UC Davis, der sich auf Biochemie und Strukturbiologie spezialisiert hat.

Die hormonelle Rolle von Strigolacton wurde erst 2008 entdeckt und Shabek bezeichnet es als „den Neuling“ in der Pflanzenhormonforschung. Strigolacton reguliert nicht nur das Verzweigungsverhalten, sondern fördert auch vorteilhafte Interaktionen unter der Erde zwischen Mykorrhizapilzen und Pflanzenwurzeln und hilft Pflanzen, auf Belastungen wie Dürre und hohen Salzgehalt zu reagieren.

Obwohl Wissenschaftler viel darüber wissen, wie Pflanzen Strigolactone und andere Hormone synthetisieren, ist nur sehr wenig darüber bekannt, wie Pflanzen sie abbauen. Neuere Forschungen haben ergeben, dass Enzyme namens Carboxylesterasen, die in allen Reichen des Lebens, einschließlich des Menschen, vorkommen, am Abbau von Strigolacton beteiligt sein könnten. Pflanzen produzieren mehr als 20 Arten von Carboxylesterasen, aber nur zwei Formen, CXE15 und CX20, wurden mit Strigolacton in Verbindung gebracht. Dieser Zusammenhang war jedoch nur spekulativ und Shabeks Team wollte mehr darüber erfahren, wie dieser Abbau funktioniert.

„Unser Labor interessiert sich für Mechanismen. Das heißt, wir wollen nicht nur wissen, ob ein Auto fahren kann, sondern auch, wie es fährt, was im Motor vor sich geht“, sagte Shabek.

Den Motor eines Enzyms entschlüsseln

Um zu untersuchen, ob CXE15 und CX20 tatsächlich an der Strigolacton-Regulierung beteiligt sind, begannen die Forscher mit dem Aufbau von 3D-Modellen der Molekülstruktur der Enzyme. Angestoßen wurde diese Arbeit von der Studentin Linyi Yan, die die Carboxylesterase-Proteine ​​im Labor züchtete und reinigte.

Aus diesem von Studenten geleiteten Projekt sei sehr schnell etwas Größeres geworden, sagte Shabek.

Der Postdoktorand Malathy Palayam verwendete Röntgenkristallographie und Computersimulationen, um die dreidimensionale Atomstruktur der Enzyme zu entschlüsseln, und führte biochemische Experimente durch, um zu vergleichen, wie die beiden Enzyme das Hormon abbauen könnten.

Diese Experimente zeigten, dass CXE15 Strigolacton viel effizienter abbauen konnte als CXE20, das zwar an Strigolacton bindet, es aber nicht effektiv abbaut. Ihre 3D-Modelle enthüllten etwas Neues: dass ein bestimmter Bereich von CXE15 es dem Enzym tatsächlich ermöglichte, seine Form zu ändern.

„CXE15 ist ein sehr wirksames Enzym – es kann das Strigolacton-Molekül in Millisekunden vollständig zerstören“, sagte Shabek. „Als wir näher heranzoomten, stellten wir fest, dass es in der Struktur des Enzyms einen dynamischen Bereich gibt, der für seine Funktion erforderlich ist.“

Ein dynamisches Enzym

Durch die Untersuchung der Struktur von CXE15 identifizierten Shabek und seine Mitarbeiter bestimmte Aminosäuren, die es dem Enzym ermöglichen, dynamisch an Strigolacton zu binden. Um zu bestätigen, dass diese Aminosäuren tatsächlich für die Effizienz des Enzyms verantwortlich sind, entwickelten sie dann gentechnisch eine mutierte Version des Enzyms mit einer veränderten dynamischen Region. Die mutierte Version zeigte sowohl in vitro als auch bei Tests des Teams an Nicotiana benthamiana-Pflanzen eine verringerte Fähigkeit, Strigolacton abzubauen.

Laut Shabek werden die nächsten Schritte darin bestehen, zu untersuchen, wie Carboxylesterase-Enzyme in verschiedenen Pflanzengeweben wie Wurzeln und Stängeln produziert werden.

„In dieser Studie waren wir vor allem daran interessiert, den Mechanismus und die Struktur dieser Enzyme aufzuklären, aber in zukünftigen Studien können wir uns mit der Untersuchung ihrer Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung befassen“, sagte Shabek.

Weitere Autoren der Studie sind: Ugrappa Nagalakshmi, Amelia K. Gilio und Savithramma Dinesh-Kumar, UC Davis; David Cornu und Francois-Didier Boyer, Universite Paris-Saclay, Frankreich.