Wie ein mysteriöses Protein eine entscheidende Rolle beim Pflanzenwachstum spielt

Es ist Frühling auf dem Campus und das bedeutet, dass Blumen und Pflanzen aller Art zum Leben erwachen, wachsen und blühen.

Aber warum? Was passiert im Inneren einer Anlage, um dieses Wachstum voranzutreiben? Es ist eine einfache Frage, die Wissenschaftler seit langem zu verstehen versuchen. In der Abteilung für Biowissenschaften hat das Bezanilla Lab kürzlich Ergebnisse in veröffentlicht Zeitschrift für Zellbiologie das bringt Licht in dieses Geheimnis.

In ihrer Forschung entdeckten Professorin Magdalena Bezanilla und der leitende Wissenschaftler Shu-Zon Wu zusammen mit Forschern der University of Rhode Island, wie ein etwas mysteriöses Protein namens Cellulose-Synthase-ähnliches D (CSLD) eine entscheidende Rolle beim Pflanzenwachstum spielt und ist wahrscheinlich ein Erzeuger von Zellulose, dem Hauptstrukturbestandteil aller Pflanzen.

„Diese Forschung hat Licht auf die Rolle dieser Proteine ​​beim Pflanzenwachstum geworfen“, sagt Bezanilla über die im April veröffentlichte Studie. „Im Frühjahr arbeiten diese Proteine ​​fleißig daran, neue Zellen für die Pflanze bereitzustellen.“

Bisher ging man davon aus, dass nur ein anderes Protein namens Cellulosesynthase (CESA) zur Bildung von Cellulose beiträgt, die Holz für Häuser stark macht, Baumwolle für Kleidung bindet und ein Hauptbestandteil von Gemüse ist. Die neue Erkenntnis hat potenzielle Auswirkungen auf viele pflanzenabhängige Wirtschaftssektoren, von Biokraftstoffen über Holzprodukte bis hin zur Landwirtschaft.

„Die von uns untersuchten Proteine, CSLDs, sind für die Pflanzenreproduktion, die Wasseraufnahme und das allgemeine Wachstum von wesentlicher Bedeutung, die allesamt Ziele für die Verbesserung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen sind“, sagt Studienmitautorin Alison Roberts von der University of Rhode Island. „Wenn wir die spezifischen Rollen von CSLDs in diesen Prozessen verstehen können, können wir dieses Wissen nutzen, um Bemühungen zur Züchtung von Nutzpflanzen zu unterstützen, die produktiver und stresstoleranter sind.“

Während der vierjährigen Studie manipulierten die Forscher mithilfe der CRISPR-Genombearbeitung eine Moospflanze, sodass die CSLD-Proteine ​​mit fluoreszierenden Markern markiert wurden, sodass ihre Bewegung unter dem Mikroskop sichtbar wurde. Sie entdeckten, dass sich diese Proteine ​​relativ schnell zu den Zellspitzen und den sich entwickelnden Zellplatten bewegten, wo die Proteine ​​zum Pflanzenwachstum beitrugen.

„Wenn man genau hinschaut, kann man diese Mooszellen sogar mit dem Auge erkennen“, sagt Bezanilla. Die Mooszellen ähneln Wurzelhaaren, die man in jedem Hinterhofgarten als kurze und flauschige Fäden beobachten kann, die an Pflanzenwurzeln wachsen.

„Alle Pflanzen, unabhängig von der Jahreszeit, haben eine Population von Zellen, die sich aktiv teilen und mehr Blätter oder mehr Zweige oder mehr Wurzelstrukturen produzieren“, sagt Bezanilla. „Diese Zellen müssen sich teilen, und zwar auf eine bestimmte Art und Weise. Dieses Protein trägt dazu bei, den neuen Zellplatten strukturelle Stabilität zu verleihen.“

Die Forscher entdeckten außerdem, dass sich CSLD-Proteine ​​unabhängig von und unregelmäßiger als CESA-Proteine ​​bewegen, was bedeutet, dass die beiden Proteine ​​möglicherweise unterschiedliche Arten von Polymeren herstellen – was Anlass für zukünftige Studien bietet.

„Jetzt wissen wir, dass CESAs und CSLDs ähnlicher sind, als wir dachten“, sagt Roberts, der die Studie im Juni beim XVI. Cell Wall Meeting in Malaga, Spanien, vorstellen wird. „Deshalb versuchen wir zu verstehen, wie sie auf die Erfüllung ihrer unterschiedlichen Aufgaben spezialisiert sind. Wir glauben, dass Unterschiede in der Art und Weise, wie sich CESAs und CLSDs bewegen, uns einige Hinweise geben können.“

Für Bezanilla trägt dies alles zu einem besseren Verständnis des Pflanzenwachstums bei.

„Das Hauptinteresse in meinem Labor besteht darin, zu verstehen, wie einzelne Zellen großräumige geometrische Informationen an sich entwickelnde Organismen weitergeben können“, sagt Bezanilla. „Das Faszinierende ist, dass Blätter auf der Längenskala von Zentimetern und Stämme auf der Längenskala von Metern gemustert sind, aber es sind einzelne winzige kleine Zellen auf der Längenskala von Mikrometern, die das Material erzeugen, das für diese Musterung wichtig ist.“ “

„Sie haben diese winzigen kleinen Einheiten, die letztendlich einen großen Organismus formen“, fügt Bezanilla hinzu. „Es ist magisch, oder?“