Wie die Bedrohungserkennungsmechanismen von Pflanzen Alarm schlagen

Eine neue Arbeit unter der Leitung von Zhiyong Wang von Carnegie entwirrt einen komplexen zellulären Signalprozess, der die Fähigkeit von Pflanzen untermauert, den Energieaufwand für das Wachstum auszugleichen und sich gegen Krankheitserreger zu verteidigen. Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Natur Pflanzenzeigen, wie Pflanzen mithilfe komplexer zellulärer Schaltkreise Informationen verarbeiten und auf Bedrohungen und Umweltbedingungen reagieren.

„Pflanzen haben kein Gehirn wie wir, und sie mögen an Ort und Stelle fixiert sein und nicht in der Lage sein, vor Raubtieren oder Krankheitserregern zu fliehen, aber bemitleiden Sie sie nicht, denn sie haben ein unglaubliches Netzwerk von informationsverarbeitenden Schaltkreisen entwickelt, die es ermöglichen ihnen, als Reaktion auf die Situationen, in denen sie sich befinden, ‚Entscheidungen zu treffen'“, erklärte Wang.

Scherzhaft fügte er hinzu: „Eine Pflanze wird niemals ‚If I Only Had a Brain‘ singen, weil sie stattdessen dieses Wunder der reaktionsschnellen Entscheidungsfindung entwickelt hat.“

Höhere Pflanzen bringen Hunderte hochspezialisierter Sensoren, sogenannte Rezeptorkinasen, auf ihren Zelloberflächen an, um die Umgebung zu überwachen und zwischen Zellen zu kommunizieren. Wangs Labor arbeitet daran, die molekularen Schaltkreise aufzuklären, die diese Sensoren mit spezifischen zellulären Reaktionen wie Wachstum und Immunität verbinden. Die Verbesserung unseres Verständnisses, wie Pflanzen zelluläre Entscheidungen treffen, kann technologische Eingriffe zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Erträge angesichts eines sich erwärmenden Planeten untermauern.

In dieser aktuellen Arbeit, veröffentlicht in Natur Pflanzenentdeckte Wangs Team, dass zwei dieser Sensoren ein System unterschiedlicher molekularer Markierungen verwenden, die ein Protein beinhalten, das zwischen ihren jeweiligen Kommunikationsschaltkreisen geteilt wird. Diese Erkenntnis verbindet die Wachstums- und Immunreaktionsschleifen und erweitert unser Verständnis darüber, wie Pflanzen ihre wichtigsten Entscheidungen treffen.

Wenn eine Pflanze eine Bedrohung wahrnimmt, muss sie Kommunikationsketten aktivieren, die Alarm schlagen und ihr sagen, dass sie den Krankheitserreger abwehren soll. Es gibt zwei Haupttypen von Bedrohungserkennungsmechanismen in Pflanzenzellen – die Fähigkeit, charakteristische chemische Muster zu erkennen, die auf einen Eindringling hinweisen, wie z. B. Komponenten einer Bakterienzelle, und die Fähigkeit, eine Störung zu erkennen, die durch ein eindringendes Pathogen verursacht wird.

Wang und seine Forschungsmitarbeiter – darunter Chan Ho Park von Carnegie (der Hauptautor), Yang Bi, Nicole Xu, Ruben Shrestha und Shouling Xu, zusammen mit Jung-gun Kim und Mary Beth Mudgett von der Stanford University und Kollegen von der Chung-Ang University, Hanyang University und UC San Francisco – verfolgten die Rolle eines Enzyms in biochemischen Signalwegen für beide Arten der Bedrohungserkennung.

Unter dem Namen BSU1 zeigten die Forscher, dass es eine wichtige, aber unterschiedliche Rolle in zwei Wegen spielt – einer, der das Wachstum fördert, und der andere, der das Bedrohungsalarmsystem der Pflanze auslöst.

Ein Weg beinhaltet einen Rezeptor für ein Mitglied der Klasse von Pflanzenhormonen namens Brassinosteroide, die Wang ausführlich untersucht hat und die für Pflanzenwachstum und -entwicklung, Samenkeimung und Fruchtbarkeit von entscheidender Bedeutung sind. Der andere Weg funktioniert über Mustererkennungsrezeptoren, die darauf spezialisiert sind, den beweglichen Schwanz eines bakteriellen Eindringlings zu erkennen.

Beide Wege beinhalten Zelloberflächensensoren, die, wenn sie durch externe Signale aktiviert werden, verschiedene Proteine ​​chemisch markieren, um ihr Verhalten entweder ein- oder auszuschalten und Informationen über eine Kette von Wechselwirkungen weiterzugeben.

Die Forscher waren überrascht zu entdecken, dass BSU1 an zwei völlig getrennten Interaktionsketten beteiligt ist. Im Brassinosteroid-Weg ist BSU1 an den Wachstums- und Entwicklungsfunktionen des Hormons beteiligt. Im Mustererkennungsweg ist BSU1 an der Aktivierung der Immunität bei Bedrohungserkennung beteiligt. BSU1 übersetzt die Codes von den verschiedenen Sensoren, indem sie verschiedene Segmente ihrer Struktur verwendet, um die chemische Markierung zu akzeptieren, wobei jede Position eine andere Nachricht darstellt.

Zusammengenommen demonstrieren diese Ergebnisse die miteinander verbundene Komplexität von Wachstum und Immunantwort. Darüber hinaus sind sie eine erstaunliche Offenbarung der Art und Weise, wie Pflanzen Informationen aufnehmen, sie durch biochemische Schaltkreise verarbeiten, die eine binäre Computersprache nachahmen, und auf Umweltbedingungen reagieren, um ihre Überlebenschancen zu verbessern.

„Unsere Arbeit zeigt, wie ein Protein wie BSU1 bei der Verarbeitung komplexer Informationen wie ein Computerchip agieren kann“, schloss Wang. „Während wir uns auf eine Welt vorbereiten, in der der Klimawandel den Stress für wichtige Nahrungs- und Biokraftstoffpflanzen erhöht, ist es entscheidend, dass wir verstehen, wie Pflanzen externe Bedrohungen erkennen und darauf reagieren.“