Wissenschaftler von UC Riverside haben den Wettlauf um die Kontrolle der Reaktion von Pflanzen auf die Temperatur auf einem sich schnell erwärmenden Planeten erheblich vorangetrieben. Der Schlüssel zu diesem Durchbruch ist miRNA, ein Molekül, das fast 200.000 Mal kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares.
Bei moderaten Temperaturerhöhungen wachsen die Pflanzen höher, um heißeren Boden zu vermeiden und frischere Luft zu bekommen. Eine wegweisende Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikation zeigt, dass microRNA oder miRNA für dieses Wachstum erforderlich ist. Die Studie identifiziert auch, welche miRNA-Moleküle – von mehr als 100 Möglichkeiten – die wesentlichen sind.
„Wir fanden heraus, dass Pflanzen ohne miRNA nicht wachsen werden, selbst wenn wir die Temperaturen erhöhen, selbst in Gegenwart von zusätzlichen Wachstumshormonen“, sagte UCR-Botanikprofessorin und Co-Autorin der Studie, Meng Chen.
RNA ist eine Nukleinsäure, die in allen lebenden Zellen vorhanden ist, und ihre Rolle besteht darin, als Bote zu fungieren, der Anweisungen von der DNA einer Zelle zur Erzeugung einer Vielzahl von Proteinen trägt. MicroRNA ist auch für eine gesunde Entwicklung in biologischen Zellen notwendig. Es wird geschaffen, um an ein bestimmtes RNA-Ziel zu binden und zu verhindern, dass dieses Ziel das erzeugt, was es herstellen soll.
„MiRNA hemmt die Produktion ihrer Ziel-RNA, indem sie eine Spaltung in ihrem Ziel induziert oder indem sie verhindert, dass ihre Ziel-RNA in ein anderes Protein übersetzt wird“, sagte UCR-Botanikprofessor und Co-Autor der Studie, Xuemei Chen.
Das Labor von Xuemei Chen an der UCR half bei der Entdeckung von miRNA in Pflanzen. Das Labor von Meng Chen identifizierte zuvor Komponenten, die an den frühen Stadien der Temperaturempfindlichkeit von Pflanzen beteiligt sind. Die beiden Wissenschaftlergruppen schlossen sich zusammen, um herauszufinden, ob miRNA, die in anderen Lebensformen so wichtig ist, auch eine Rolle bei der Temperaturreaktion von Pflanzen spielt.
Für diesen Test betrachteten die Wissenschaftler nur leichte Temperaturerhöhungen von 21 auf 27 Grad Celsius. Als Referenz liegt die durchschnittliche Raumtemperatur bei etwa 20 °C. „Wir haben uns die Stressreaktionen nicht angesehen. Wir wollten die Temperaturmessung untersuchen, ohne sie auf ein Niveau anzuheben, das die Pflanzen töten würde“, sagte Meng Chen.
Die Forscher nahmen Arabidopsis, eine kleine blühende Pflanze, die mit Senf und Kohl verwandt ist, und untersuchten mutierte Formen mit sehr geringen Mengen an miRNA. Ohne die miRNA könnte die mutierte Arabidopsis nicht auf die Temperaturänderung reagieren, indem sie so wächst, wie sie es hätte tun sollen.
Dann haben sie ein genetisches Experiment gemacht. „Wir fragten, ob wir zusätzliche Mutationen an der mutierten Arabidopsis vornehmen könnten, die keine miRNAs herstellen kann, und ihre Fähigkeit zur Temperaturwahrnehmung wiederherstellen könnten“, sagte Xuemei Chen. Das zweite Experiment funktionierte „perfekt“, sagte sie, und es enthüllte ein Gen, das für die Wiederherstellung der miRNA-Spiegel sowie der Wärmeerkennungsfähigkeiten der Pflanze verantwortlich ist.
Als nächstes stand das Team vor einer Herausforderung bei der Suche nach der genauen miRNA, die an der Temperaturreaktion beteiligt ist. Arabidopsis stellt 140 miRNA-Moleküle her. Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass die Konzentrationen der verantwortlichen Moleküle mit der Temperatur steigen würden, aber so war es nicht.
Unter Hinweis darauf, dass miRNA an Ziel-RNA-Moleküle bindet und diese abschaltet, untersuchte das Team stattdessen die Ebenen der Ziel-RNA-Moleküle, die in der ursprünglichen mutierten Arabidopsis-Pflanze und in der zweiten von ihnen geschaffenen mutierten Pflanze unterschiedlich waren.
„Als wir uns das ansahen, stellten wir fest, dass sich die Ziele von 14 miRNA geändert hatten, und neben den Zielen fanden wir auch die miRNA“, sagte Xuemei Chen.
Nachdem das Team die richtigen miRNA-Moleküle identifiziert hatte, stellte es schließlich ein umfassendes Bild der Temperaturreaktion zusammen. Es beinhaltet zwei wesentliche Teile: Moleküle, die die Temperatur wahrnehmen, und Auxin, ein Hormon, das eine Reaktion auf das, was wahrgenommen wurde, ermöglicht, indem es das Pflanzenwachstum fördert.
„Zwischen dem Sensor und dem Responder befindet sich miRNA. Ohne sie können Pflanzen Wärme wahrnehmen, aber nicht darauf reagieren, indem sie wachsen. Es ist ein Torwächter, der Pflanzen abschalten oder zulassen kann, mit Änderungen der Umgebungstemperatur umzugehen“, sagte Meng Chen .
Während ihrer Experimente fand das Team heraus, dass die miRNA auch für die Reaktion der Pflanzen auf den reflektierten Schatten benachbarter Pflanzen erforderlich ist.
„Unsere Entdeckung verband die Punkte zwischen drei Elementen, die in allen Pflanzen zu finden sind und die für die Reaktionen der Pflanzen auf ihre Umgebung von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Meng Chen. „Dazu gehören Sensoren, die Temperatur- und Lichtänderungen überwachen, Hormone, die das Pflanzenwachstum antreiben, und miRNA, die die Pflanzenentwicklung steuert.“
Die Forscher hoffen, dass ihre Erkenntnisse genutzt werden können, um die Ernteerträge angesichts des Klimawandels zu steigern.
„Das Potenzial besteht darin, dass wir dies nutzen, um die Reaktionen der Pflanzen auf lokale Temperatur- und Lichtbedingungen zu manipulieren und ihr Wachstum in verschiedenen Umgebungen zu kontrollieren“, sagte Meng Chen.
Mehr Informationen:
MicroRNA156 konditioniert die Auxin-Empfindlichkeit, um Wachstumsplastizität als Reaktion auf Umweltveränderungen in Arabidopsis zu ermöglichen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36774-9