Forscher entdecken Proteinfamilie, die die Nährstoffzufuhr in Pflanzen reguliert
Ein europäisches Forscherteam enthüllte die bislang unbekannte Funktion einer Proteinfamilie in Pflanzen, wie jetzt in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Nature nachzulesen ist. An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wird beschrieben, dass diese Proteine wesentlich an der Bildung wasserdichter Mikronetze an den Wurzeln beteiligt sind, sodass die Pflanze Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen und schädliche Mikroorganismen ausfiltern kann. An der Studie, die teilweise durch das Projekt PLANT-MEMB-TRAFF (Plant endomembrane trafficking in physiology and development) finanziert wurde, waren Wissenschaftler aus Belgien, Deutschland, den Niederlanden und der Schweiz beteiligt. Das Projekt selbst wurde mit einem Nachwuchsförderpreis (ERC Starting Grant) des europäischen Forschungsrates in Höhe von 1.199.889 EUR unter dem Themenbereich Ideen des Siebten Rahmenprogramms (RP7) gefördert. Die von den Forschern entdeckten Proteine, so genannte CASPs (Casparian strip membrane domain proteins), gehören einer Gruppe von Transmembranproteinen an und sind stark lokalisiert in den Regionen der Casparischen Streifen - Streifen aus spezialisiertem Zellwandmaterial an der Wurzelendodermis, die die Pflanze vor dem Raum außerhalb der Zelle schützen. Der Wurzelendodermis kommt hauptsächlich die Aufgabe zu, Nährstoffe aufzunehmen und die Pflanze stresstoleranter zu machen. Identifiziert wurden die CASPs mittels Fluoreszenzmarkierung, wobei auch ersichtlich wurde, dass diese Proteine von fünf Genen kodiert werden und maßgeblich an der Bildung der Casparischen Streifen beteiligt sind. "Diese Strukturen ähneln Fugen, die den Raum zwischen den Zellen der Wurzelendodermis abdichten", erklärt Niko Geldner, einer der Forscher des Projekts. "Die CASPs formieren sich zu einer Art Gitter, auf dem sich andere Proteine anordnen können, die dann ein Mikronetz in Form einer sehr effektiven dreidimensionalen Diffusionsbarriere bilden". Anhand dieser faszinierenden Entdeckung kann nun besser erklärt werden, wie Wurzeln Nährstoffe von Schadstoffen unterscheiden können, bzw. wie Pflanzen sich mit Nährstoffen versorgen." Da die meisten pflanzlichen Mechanismen sich ähneln, könnte die Forschungsarbeit zu mehr Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft beitragen, vor allem im Zusammenhang mit der täglichen Nährstoffversorgung von Reis, Mais, Getreide- und sogar Tomatenpflanzen. Den Forschern von PLANT-MEMB-TRAFF zufolge seien bisherige Vergleiche zwischen Hefen und Tiere weder hinreichend noch schlüssig, um grundlegende oder ähnliche Mechanismen in der Membranorganisation höherer Organismen, so genannter Eukaryoten, aufzudecken. Erwartungstreue, die so genannte Unbiasedness, ist wichtig bei der Erforschung des Transports in Pflanzenmembranen, um Rückschlüsse auf andere eukaryotische Zelltypen zu ziehen und die Evolution eukaryotischer Membranorganisation besser zu verstehen. "Hauptziel ist es, die Nährstoffaufnahme während des Pflanzenwachstums zu verbessern, damit weniger Wasser und Dünger benötigt wird, was wiederum zu mehr Nachhaltigkeit in der Agrarproduktion beiträgt", wie Niko Geldner weiter ausführt. Kenntnisse über Struktur und Funktion von Endomembrankompartimenten sind wichtig, um die Mechanismen eukaryotischen Zellverhaltens besser zu verstehen. Transportsignalwege in der Endomembran mehrzelliger Organismen sind häufig ausgesprochen komplex und spezialisiert. Mit der Entwicklung von Mehrzelligkeit in der Evolution höher entwickelter Pflanzen hat sich ein anders strukturiertes, aber hochkomplexes Endomembransystem herausgebildet, das viele grundlegende Prozesse wie etwa Zellwandaufbau, Nährstoffaufnahme oder Immunantworten reguliert. Erst jetzt beginnt man, die spezifischen Funktionen pflanzlicher Endomembranen genauer zu klären, da man von den unzureichenden, Homologie-basierten Ansätzen abkommt, die von Natur aus verzerrt und auf Module und Signalwege beschränkt sind, die bei Tieren/Hefen und Pflanzen konserviert sind. Die Studie stellt in der wissenschaftlichen Forschung einen signifikanten Durchbruch dar. Obwohl die Entdeckung der Casparischen Streifen 1865 durch den Botaniker Robert Caspary um mehr als 150 Jahre zurückliegt, sind deren Mechanismen und die Funktion der daran beteiligten Proteine noch größtenteils ungeklärt.Weitere Informationen unter: University of Lausanne: http://www.unil.ch/index.html
Länder
Belgien, Schweiz, Deutschland, Niederlande