Untersuchen, warum Pflanzen in einer sich erwärmenden Welt früh blühen

Wissenschaftler haben einen neuen Mechanismus enthüllt, den Pflanzen nutzen, um die Temperatur zu messen. Diese Erkenntnis könnte zu Lösungen führen, um einigen der schädlichen Veränderungen im Pflanzenwachstum, der Blüte und der Samenproduktion aufgrund des Klimawandels entgegenzuwirken. Die Ergebnisse werden heute in veröffentlicht PNAS.

Der weltweite Temperaturanstieg aufgrund des Klimawandels hat schädliche Folgen für Pflanzen. Sie neigen dazu, früher zu blühen als zuvor und durchlaufen den Fortpflanzungsprozess, was zu weniger Früchten und Samen sowie einer geringeren Biomasse führt.

Wissenschaftler arbeiten nun an der inneren Uhr der Pflanzen, die ihr Wachstum, ihren Stoffwechsel und den Zeitpunkt ihrer Blüte bestimmt. Der wichtigste Thermosensor der zirkadianen Uhr ist EARLY FLOWERING 3 (ELF3), ein Protein, das eine entscheidende Rolle bei der Pflanzenentwicklung spielt. Es integriert verschiedene Umwelteinflüsse wie Licht und Temperatur mit internen Entwicklungssignalen, um die Expression von Blütengenen zu regulieren und zu bestimmen, wann Pflanzen wachsen und blühen.

Ein Team von CEA, ESRF und CNRS hat den molekularen Mechanismus der Funktionsweise von ELF3 in vitro und in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ermittelt. Mit steigender Temperatur durchläuft ELF3 einen Prozess namens Phasentrennung. Das bedeutet, dass ähnlich wie bei Öl und Wasser zwei flüssige Phasen nebeneinander existieren.

„Wir glauben, dass es bei der Phasentrennung verschiedene Proteinpartner wie Transkriptionsfaktoren bindet, was sich in einem schnelleren Wachstum und einer frühen Blüte als Funktion der erhöhten Temperatur niederschlägt“, erklärt Chloe Zubieta, CNRS-Forschungsdirektorin vom Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Vegetale am CEA Grenoble (CNRS/Univ. Grenoble Alpes/CEA/INRAE ​​UMR 5168) und Co-korrespondierender Autor der Veröffentlichung.

„Wir versuchen, die Biophysik der Prion-ähnlichen Domäne in ELF3 zu verstehen, die unserer Meinung nach für diese Phasentrennung verantwortlich ist.“

ELF3 ist ein flexibles Protein ohne klar definierte Struktur und kann daher nicht mit Röntgenkristallographie untersucht werden, da es in Lösung vorliegen muss. Stattdessen verwendete das Team hauptsächlich Röntgenkleinwinkelstreuung. Alle vorhandenen Modelle zeigten, dass die Struktur stark ungeordnet sein würde. Dann kam die Überraschung: „Ich habe viele prionähnliche Domänen gesehen, die an der Phasentrennung beteiligt sind, aber dies ist das erste Mal, dass ich etwas grundlegend anderes gesehen habe“, erklärt Mark Tully, ESRF-Wissenschaftler auf BM29 und Mitautor der Veröffentlichung .

Die Experimente zeigten, dass die prionähnliche Domäne ein monodisperses Oligomer höherer Ordnung bildet, das für die Phasentrennung von entscheidender Bedeutung ist. Dieses Oligomer scheint eine Kugel aus etwa 30 Kopien des Proteins zu sein und fungiert als Gerüst, das wahrscheinlich notwendig ist, damit es mit anderen Proteinen in der Pflanzenzelle interagieren kann.

Als die Forscher die Temperatur erhöhten, fügten sich die Kugeln zu einer flüssigen Phase zusammen und bildeten dann mit der Zeit einen geordneten Lamellenstapel. Weitere Experimente mit Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Röntgenpulverbeugung an der Strahllinie ID23-1 bestätigten die Ergebnisse.

„Wenn es uns gelingt, den Zeitpunkt der Phasentrennung als Funktion der Temperatur zu steuern, indem wir verschiedene Aminosäurereste mutieren, könnten wir letztendlich die Blüte von Pflanzen unter wärmeren Bedingungen verzögern, sodass sie mehr Biomasse aufbauen und mehr Früchte und Samen bilden können“, erklärt Stephanie Hutin, Wissenschaftler am CEA und Erstautor des Artikels.

„Deshalb wird der nächste Schritt dieser Forschung darin bestehen, der Modellpflanze Arabidopsis thaliana eine andere Form des ELF3-Gens hinzuzufügen und zu sehen, was passiert, wenn wir sie bei warmen Temperaturen anbauen. Wenn unser Modell korrekt ist, könnten wir das tun.“ Das Gleiche gilt für Nutzpflanzenarten, die Schwierigkeiten haben, sich an wärmere Bedingungen anzupassen“, schließt sie.