Studie zeigt, wie Pflanzen über Leben und Tod entscheiden

Forscher der Michigan State University haben zwei Proteine ​​entdeckt, die zusammenarbeiten, um das Schicksal von Pflanzenzellen zu bestimmen, die bestimmten Belastungen ausgesetzt sind.

Ironischerweise ist eine wichtige Erkenntnis dieser Entdeckung, die kürzlich in veröffentlicht wurde Naturkommunikationwurde gerade gemacht, als der Projektmanager sich gerade zum Entspannen bereit machte.

Die Postdoktorandin Noelia Pastor-Cantizano saß im Bus zum Flughafen, um in den Urlaub zu fliegen, als sie beschloss, ein vielversprechendes Ergebnis zu teilen, bei dessen Erhebung sie am Tag zuvor mitgeholfen hatte.

„Ich wollte nicht zehn Tage warten, bis ich zurückkam und es verschickte. Ich habe fast zwei Jahre gebraucht, um dorthin zu gelangen“, sagte Pastor-Cantizano, der damals im Brandizzi-Labor des Plant Research Laboratory (PRL) des MSU-DOE arbeitete.

„Das ist es, woran ich mich in diesem Moment erinnere“, sagte Pastor-Cantizano. „Ich dachte: ‚Ich kann mich jetzt entspannen, zumindest für eine Woche.‘

Pastor-Cantizano arbeitete daran, in der Modellpflanze Arabidopsis ein Gen zu identifizieren, das die Reaktion der Pflanze auf Stressfaktoren steuern könnte, die zum Absterben der Pflanze führen können. Sie und ihre Mitarbeiter identifizierten ein Protein in Arabidopsis, das anscheinend steuert, ob eine Pflanze unter Stressbedingungen überlebt oder stirbt.

Die Identifizierung des Gens war nur der Anfang der Geschichte, obwohl bereits Jahre vergangen waren, bis die Forscher zu dieser neuen Studie kamen. Es dauerte weitere fünf Jahre, bis zu dieser neuen Studie kam.

Forscher haben herausgefunden, dass das BON-assoziierte Protein 2 (BAP2) und das Inositol-benötigende Enzym 1 (IRE1) zusammenarbeiten, um Stressbedingungen zu bewältigen, die für Zellen von Pflanzen über Leben und Tod entscheiden.

Das Verständnis der Funktionsweise dieser Proteine ​​kann Forschern dabei helfen, Pflanzen zu schaffen, die resistenter gegen absterbende Bedingungen sind.

Die Schaffung von Pflanzen, die resistenter gegen Stress des endoplasmatischen Retikulums (oder ER-Stress) sind, hat weitreichende Auswirkungen auf die Landwirtschaft. Wenn Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Dürre oder Hitze gemacht werden können, haben Pflanzen trotz des Klimawandels bessere Überlebens- und Gedeihchancen.

„Die Forschung in unserem Labor wird von Begeisterung und Dankbarkeit dafür angetrieben, dass wir wichtige Beiträge zur Wissenschaft leisten können“, sagte Federica Brandizzi, Professorin der MSU Research Foundation in der Abteilung für Pflanzenbiologie und PRL. „Die Arbeit war eine Herkulesarbeit und war nur dank der Geduld, Begeisterung und Hingabe eines wunderbaren Teams möglich. Noelia war einfach fantastisch. »

Im Tandem arbeiten

In eukaryontischen Zellen befindet sich eine Organelle, die als endoplasmatisches Retikulum oder ER bezeichnet wird. Es erzeugt Proteine ​​und faltet sie in Formen, die die Zelle verwenden kann. Wie beim Schneiden von Gemüse für die Verwendung in einem Rezept müssen Proteine ​​in die richtige Form gebracht werden, bevor sie verwendet werden können.

Proteinproduktion und Faltungskapazität müssen im Gleichgewicht sein, so wie ein Sous-Chef und ein Koch zusammenarbeiten. Wenn der Souschef dem Koch zu viele oder zu wenige Zutaten liefert, bringt das das Gleichgewicht in der Küche durcheinander.

Wenn das ER seine Aufgabe nicht richtig erfüllen kann oder das Gleichgewicht gestört ist, gerät es in einen Zustand, der ER-Stress genannt wird. Die Zelle löst einen Mechanismus aus, der als Unfolded Protein Response (UPR) bekannt ist, um zu entscheiden, was als nächstes zu tun ist. Wenn das Problem gelöst werden kann, ergreift die Zelle Maßnahmen, um das Leben der Pflanze zu retten. Geschieht dies nicht, beginnt die Zelle abzusterben, was ihr Leben und möglicherweise auch das der Pflanze beendet.

Es war bekannt, dass das IRE1-Enzym für die Steuerung von Mechanismen verantwortlich ist, die die Zelle entweder retten oder töten können.

Aber was treibt IRE1 zum Handeln?

In dieser Studie suchten Forscher des Brandizzi-Labors nach dem Hauptregulator dieser programmierten Zelltodprozesse.

„Ich kam auf diese Idee, weil ich gelesen habe, dass das Reizdarmsyndrom mit einer Mutation in einem Gen zusammenhängt, das durch IRE1 kontrolliert wird und beim Menschen vorkommt“, sagte Brandizzi. „Menschen sind vielfältig, genau wie Pflanzen. Deshalb dachte ich darüber nach, die Pflanzenvielfalt als Quelle wichtiger neuer Entdeckungen im Rahmen des UPR zu untersuchen. »

Die Forscher untersuchten zunächst Hunderte von Akzessionen, also Pflanzen derselben Art, die jedoch standortspezifisch sind. Beispielsweise weist eine in Kolumbien wachsende Pflanze im Vergleich zu derselben in Spanien wachsenden Pflanze genetische Unterschiede auf, und die Art und Weise, wie sie auf Stressbedingungen reagiert, kann unterschiedlich sein.

Sie fanden signifikante Unterschiede in der ER-Stressreaktion zwischen verschiedenen Akzessionen. Anhand der Akzessionen mit den unterschiedlichsten Reaktionen versuchten sie, die Unterschiede in ihren Genomen zu identifizieren. Hier kommt das Kandidatengen BAP2 ins Spiel.

„Wir haben herausgefunden, dass BAP2 auf ER-Stress reagiert“, erklärt Pastor-Cantizano, derzeit Postdoktorand an der Universität Valencia. „Und das Interessante ist, dass es die Aktivität von IRE1 steuern und verändern kann. Aber auch IRE1 ist in der Lage, die Expression von BAP2 zu regulieren. »

BAP2 und IRE1 arbeiten zusammen und signalisieren sich gegenseitig die beste Vorgehensweise für die Zelle. Das Vorhandensein des einen ohne das andere führt zum Absterben der Pflanze, wenn die ER-Homöostase aus dem Gleichgewicht gerät.

Sieben Jahre

Dieses Projekt erforderte von Anfang bis Ende mehr als sieben Jahre harter Arbeit.

Tag für Tag verbrachten Forscher ihre Zeit damit, Samen mühsam in Platten zu platzieren, die ein Medium enthielten, in dem sie wachsen konnten. Arabidopsis-Samen sind in ihrer kleinsten Größe nicht viel größer als Sandkörner, daher war dies eine heikle Arbeit, die Zeit und Aufmerksamkeit erforderte.

Anschließend verbrachten die Forscher mehrere weitere Monate mit diesen Pflanzen, beobachteten die Nachkommen der Akzessionen und identifizierten, wie das BAP2-Gen in den Pflanzen funktioniert. Es dauerte noch ein paar Jahre.

„Es war ein langer und holpriger Weg, aber es hat sich gelohnt“, sagte Pastor-Cantizano. „Als ich dieses Projekt startete, konnte ich mir nicht vorstellen, wie es enden würde. »