Neben der Zuckerumverteilung steuert ein grundlegender molekularer Mechanismus in Pflanzen die Bildung neuer Seitenwurzeln. Ein internationales Team von Pflanzenbiologen hat gezeigt, dass es auf der Aktivität eines bestimmten Faktors beruht, dem Zielprotein Rapamycin (TOR). Ein besseres Verständnis der Prozesse, die die Wurzelverzweigung auf molekularer Ebene regulieren, könnte dazu beitragen, das Pflanzenwachstum und damit die Ernteerträge zu verbessern, so Forschungsteamleiter Prof. Dr. Alexis Maizel vom Zentrum für Organismische Studien der Universität Heidelberg.
Ein gutes Wurzelwachstum sorgt dafür, dass Pflanzen ausreichend Nährstoffe aufnehmen und wachsen können und trägt so zu ihrer allgemeinen Fitness bei. Dazu müssen sie die verfügbaren Ressourcen aus Stoffwechselprozessen mit ihren genetischen Entwicklungsprogrammen in Einklang bringen. Pflanzen binden in ihren Blättern Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre und wandeln es durch Photosynthese in Einfachzucker um. In Form von Fructose und Glucose werden diese Einfachzucker auch in den Wurzeln ausgeschieden und treiben dort das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze voran.
Wie dieser Prozess auf molekularer Ebene abläuft, untersuchte das Team um Prof. Maizel anhand der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, einer Modellpflanze der Pflanzenforschung. Im Mittelpunkt ihrer Untersuchungen steht die Frage, welche Rolle Glukose bei der Bildung von Seitenwurzeln spielt. „Wir wissen zwar, dass neben Pflanzenhormonen auch Zucker aus dem Spross in die Wurzeln ausgeschüttet wird, aber wie die Pflanze erkennt, dass Zuckerressourcen für die Bildung von Seitenwurzeln zur Verfügung stehen, ist bisher nicht geklärt“, erklärt Dr. Michael Stitz, a Forscher im Team von Alexis Maizel.
Die Studien auf Stoffwechselebene zeigten, dass Arabidopsis nur dann Seitenwurzeln bildet, wenn Glukose abgebaut wird und Kohlenhydrate im Perizykel – der äußersten Zellschicht des Hauptwurzelzylinders – verbraucht werden. Dieser Prozess wird auf molekularer Ebene durch das Zielprotein Rapamycin gesteuert. Dieser Faktor steuert kritische Signalnetzwerke und Stoffwechselprozesse sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren und Menschen. Seine Aktivität wird durch das Zusammenspiel von Wachstumsfaktoren wie dem Pflanzenhormon Auxin und Nährstoffen wie Zucker gesteuert.
Anhand von Arabidopsis fanden die Forscher heraus, dass TOR in den Perizykelzellen nur dann aktiv wird, wenn dort Zucker vorhanden ist. Durch Zellteilung bilden dann sogenannte Gründerzellen die Seitenwurzeln.
Prof. Maizel sagt: „TOR übernimmt eine Art Gatekeeper-Funktion: Wenn die Pflanze über das Hormon Auxin das genetische Wachstumsprogramm aktiviert, das für die Wurzelbildung verantwortlich ist, prüft TOR, ob für diesen Prozess ausreichend Zuckerressourcen zur Verfügung stehen.“
TOR kontrolliert die Translation spezifischer Auxin-abhängiger Gene und blockiert deren Expression, wenn nicht genügend Zuckerressourcen verfügbar sind. Als die Forscher die TOR-Aktivität unterdrückten, bildeten sich keine Seitenwurzeln. „Das deutet darauf hin, dass ein grundlegender molekularer Mechanismus im Spiel ist“, sagt der Heidelberger Pflanzenbiologe.
Gleichzeitig zeigten die Forscher, dass TOR über einen ähnlichen Mechanismus die Bildung von Wurzeln aus anderen Pflanzengeweben steuert – den sogenannten Adventivwurzeln. Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen könnten laut Prof. Maizel auch für landwirtschaftliche Anwendungen von Interesse sein. „Sie könnten möglicherweise genutzt werden, um neue Strategien für ein Pflanzenwachstum zu entwickeln, das für verschiedene Umweltbedingungen und bessere Ernteerträge optimiert ist“, sagt der Forscher.
Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Das EMBO-Journal.
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Michael Stitz et al., TOR fungiert als metabolischer Gatekeeper für die Auxin-abhängige laterale Wurzelinitiierung in Arabidopsis thaliana, Das EMBO-Journal (2023). DOI: 10.15252/embj.2022111273