Studie zeigt, wie Pflanzen über Leben und Tod entscheiden

Forscher der Michigan State University haben zwei Proteine ​​entdeckt, die gemeinsam das Schicksal von Pflanzenzellen bestimmen, die bestimmten Belastungen ausgesetzt sind.

Ironischerweise ist eine Schlüsselentdeckung dieser kürzlich in Naturkommunikationwurde genau zu dem Zeitpunkt getroffen, als sich der Projektleiter gerade auf seine Entspannung vorbereitete.

Die Postdoktorandin Noelia Pastor-Cantizano fuhr mit dem Bus zum Flughafen, um in den Urlaub zu fliegen, als sie beschloss, ein vielversprechendes Ergebnis weiterzugeben, an dessen Erarbeitung sie einen Tag zuvor mitgewirkt hatte.

„Ich wollte nicht zehn Tage warten, bis ich zurückkam, um es abzuschicken. Es hat fast zwei Jahre gedauert, bis es ankam“, sagte Pastor-Cantizano, der damals im Brandizzi-Labor im MSU-DOE Plant Research Laboratory (PRL) arbeitete.

„Das ist, woran ich mich im Moment erinnere“, sagte Pastor-Cantizano. „Ich dachte: ‚Jetzt kann ich mich entspannen, zumindest für eine Woche.‘

Pastor-Cantizano hatte daran gearbeitet, ein Gen in der Modellpflanze Arabidopsis zu identifizieren, das die Reaktion der Pflanze auf Stressfaktoren steuern könnte, die zum Tod der Pflanze führen können. Sie und ihre Mitarbeiter hatten in Arabidopsis ein Protein identifiziert, das anscheinend steuert, ob eine Pflanze unter Stressbedingungen überlebt oder stirbt.

Die Identifizierung des Gens war nur der Anfang der Geschichte, auch wenn die Suche schon Jahre gedauert hatte. Bis zu diesem neuen Artikel sollten noch fünf weitere Jahre vergehen.

Die Forscher entdeckten, dass die Proteine ​​BON-assoziiertes Protein 2 (BAP2) und Inositol-erforderliches Enzym 1 (IRE1) bei der Bewältigung von Stressbedingungen zusammenarbeiten – eine Frage von Leben und Tod für Pflanzenzellen.

Durch das Verständnis der Funktionsweise dieser Proteine ​​können Forscher Pflanzen züchten, die widerstandsfähiger gegen tödliche Bedingungen sind.

Die Entwicklung von Pflanzen, die resistenter gegen Stress des endoplasmatischen Retikulums (ER-Stress) sind, hat weitreichende Auswirkungen auf die Landwirtschaft. Wenn Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Dürre oder Hitze werden, haben sie trotz des Klimawandels bessere Überlebens- und Erfolgschancen.

„Die Forschung in unserem Labor wird von Enthusiasmus und Dankbarkeit angetrieben, wichtige Beiträge zur Wissenschaft leisten zu können“, sagte Federica Brandizzi, Professorin der MSU Research Foundation in der Abteilung für Pflanzenbiologie und am PRL. „Die Arbeit war herkulisch und war nur dank der Geduld, Begeisterung und Hingabe eines wunderbaren Teams möglich. Noelia war einfach fantastisch.“

Gemeinsam arbeiten

In eukaryotischen Zellen gibt es ein Organell, das als endoplasmatisches Retikulum oder ER bekannt ist. Es erzeugt Proteine ​​und faltet sie in Formen, die die Zelle nutzen kann. Wie beim Schneiden von Gemüse für ein Rezept müssen die Proteine ​​in die richtige Form gebracht werden, bevor sie verwendet werden können.

Die Proteinherstellung und die Proteinfaltungskapazität müssen im Gleichgewicht sein, so als ob ein Souschef und ein Koch im Tandem arbeiten. Wenn der Souschef dem Koch zu wenig oder zu viele Zutaten zur Verfügung stellt, bringt das das Gleichgewicht in der Küche durcheinander.

Wenn das ER seine Aufgabe nicht richtig erfüllen kann oder das Gleichgewicht gestört ist, gerät es in einen Zustand, der als ER-Stress bezeichnet wird. Die Zelle startet einen Mechanismus, der als Unfolded Protein Response (UPR) bezeichnet wird, um zu entscheiden, was als nächstes zu tun ist. Wenn das Problem gelöst werden kann, leitet die Zelle lebensrettende Maßnahmen ein, um das Problem zu lösen. Wenn dies nicht möglich ist, beginnt die Zelle abzuschalten, was ihr und möglicherweise auch dem Leben der Pflanze ein Ende setzt.

Es war bekannt, dass das Enzym IRE1 für die Steuerung der Mechanismen verantwortlich ist, die die Zelle entweder retten oder töten würden.

Aber was veranlasst IRE1 zum Handeln?

In dieser Studie suchten die Forscher im Brandizzi-Labor nach dem Hauptregulator dieser todesfördernden Prozesse, dem sogenannten programmierten Zelltod.

„Ich kam auf die Idee, weil ich gelesen hatte, dass Reizdarmsyndrom mit einer Mutation in einem von IRE1 kontrollierten Gen zusammenhängt, das bei Menschen vorkommt“, sagte Brandizzi. „Menschen sind vielfältig und Pflanzen sind es auch. Also dachte ich, ich würde die Pflanzenvielfalt als Quelle neuer wichtiger Erkenntnisse im UPR untersuchen.“

Die Forscher untersuchten zunächst Hunderte von Akzessionen, also Pflanzen derselben Art, die nur an einem bestimmten Ort vorkommen. So weist eine Pflanze, die in Kolumbien wächst, genetische Unterschiede zu einer Pflanzenart auf, die in Spanien wächst. Die Reaktionen der Pflanzen auf Stressbedingungen können unterschiedlich sein.

Sie stellten fest, dass die Reaktionen auf ER-Stress zwischen den verschiedenen Akzessionen sehr unterschiedlich waren. Anhand der Akzessionen mit den unterschiedlichsten Reaktionen versuchten sie, die Unterschiede in ihren Genomen zu ermitteln. Hier kam der Genkandidat BAP2 ins Spiel.

„Wir haben festgestellt, dass BAP2 auf ER-Stress reagiert“, sagte Pastor-Cantizano, der derzeit Postdoc an der Universität Valencia ist. „Und das Coole daran ist, dass es die Aktivität von IRE1 kontrollieren und verändern kann. Aber IRE1 kann auch die BAP2-Expression regulieren.“

BAP2 und IRE1 arbeiten zusammen und signalisieren sich gegenseitig, was die beste Vorgehensweise für die Zelle ist. Wenn das eine ohne das andere vorhanden ist, führt dies zum Tod der Pflanze, wenn die ER-Homöostase aus dem Gleichgewicht gerät.

Sieben Jahre

Von Anfang bis Ende waren für dieses Projekt über sieben Jahre engagierter Arbeit erforderlich.

Tag für Tag verbrachten die Forscher ihre Zeit damit, Samen mühsam auf Platten mit einem Medium zu legen, in dem sie wachsen konnten. Arabidopsis-Samen sind in ihrer kleinsten Form nicht viel größer als Sandkörner, daher war dies eine heikle Arbeit, die Zeit und Aufmerksamkeit erforderte.

Von da an verbrachten die Forscher noch mehrere Monate mit diesen Pflanzen, untersuchten die Nachkommen und fanden heraus, wie BAP2 in den Pflanzen funktionierte. Dies dauerte noch einige Jahre.

„Es war ein langer Weg mit vielen Hindernissen, aber es hat sich gelohnt“, sagte Pastor-Cantizano. „Als ich dieses Projekt begann, konnte ich mir nicht vorstellen, wie es enden würde.“