Wissenschaftler entdecken Genregulator, der die Rehydratation der Pflanzen nach Dürre ermöglicht.

Wissenschaftler des RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Japan haben herausgefunden, dass das Protein NGA1 entscheidend ist, damit Pflanzen auf Dehydrierung normal reagieren können. Die in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Studie zeigt, wie NGA1 die Transkription eines Schlüsselgens kontrolliert, das es Pflanzen letztendlich ermöglicht, nach Dürreperioden zu überleben.

Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Sie vergessen, Ihre Pflanzen für ein oder zwei Wochen zu gießen. Meistens werden sie noch in Ordnung sein, nachdem du ihnen wieder Wasser gegeben hast. Das scheint einfach zu sein, aber es ist eigentlich ein komplexer biologischer Prozess, der von einem Pflanzenhormon namens ABA abhängt. Für eine erfolgreiche Rehydrierung muss sich ABA in den frühen Phasen der Dehydrierung ansammeln und dann – neben anderen Dingen – Wasserverlust verhindern, indem die Poren in den Blättern der Pflanze geschlossen werden.

Während Wissenschaftler viel über ABA wissen und was es tut, wussten sie nicht viel darüber, wie sich ABA als Reaktion auf Dehydrierungsstress ansammelt. Der leitende Wissenschaftler Hikaru Sato und sein Team untersuchten eine Bibliothek von 1.670 transgenen Pflanzenlinien und führten eine Reihe von Experimenten durch, um dieses Problem anzugehen.

Die Screening-Methode, die das Team anwandte, war etwas einzigartig. Wie Sato erklärt, „haben wir eine Bibliothek von Anlagenlinien verwendet, die mit chimärer Repressor-Schalldämpfer-Technologie erstellt wurde. Diese spezielle Technik wird verwendet, um neue Transkriptionsfaktoren in der Pflanzengenetik zu identifizieren.“

Auf der Suche nach Pflanzen mit ähnlichen Eigenschaften wie ABA-defiziente Mutanten fanden sie eine Pflanzenlinie, in der die Überexpression von NGA mit einer chimären Repressorendomäne zu einem reduzierten Niveau des Enzyms NCED3 während des Dehydrierungsstresses führte. Dies war sehr vielversprechend, da die Pflanzen NCED3 benötigen, um ABA herzustellen, und sie stellten die nächste Hypothese auf, dass NGA ein Transkriptionsfaktor war, der die Produktion von NCED3 und letztlich die Biosynthese von ABA kontrollieren konnte.

Es stellte sich heraus, dass es eine ganze Familie von NGA-Proteinen gibt, und das Team zeigte, dass sie alle an die Region des NCED3-Gens binden, das seine Transkription auslöst. Aber die Geschichte ist nicht so einfach. Die Gruppe schuf transgene Pflanzen für jedes Mitglied der NGA-Familie und fand heraus, dass NGA-Proteine natürlich in verschiedenen Teilen der Pflanzen vorkommen und unterschiedliche Expressionsmuster in Zeiten von Dehydrierungsstress aufweisen. Einige wurden in den Wurzeln, andere in den Blättern ausgedrückt. Auch das Timing der NGA-Expression variierte zwischen den verschiedenen Linien. Das bedeutete, dass es unwahrscheinlich war, dass alle von ihnen bei Trockenstress auf die gleiche Weise funktionieren.

Um festzustellen, welche NGA-Proteine für die natürliche ABA-Synthese wichtig waren, schufen sie dafür Knockout-Mutanten. Alle Pflanzen wuchsen normal, wenn Wasser verfügbar war. Nach dem Zurückhalten von Wasser bis zum Welken der Pflanzen blieben die NGA1-Mutanten ausgetrocknet und konnten durch Rehydratation nicht wiederbelebt werden. Alle anderen Mutanten könnten rehydriert werden.

Die Verbesserung der Dürretoleranz hat für die Pflanzenforscher höchste Priorität. „Mehrere Studien haben gezeigt, dass eine Erhöhung des ABA-Wertes die Dürretoleranz von Pflanzen verbessern kann“, sagt Sato. „Unsere Erkenntnis, dass NGA1 für die ABA-Biosynthese notwendig ist, wird daher wahrscheinlich hilfreich sein, um neue Wege zur Erhöhung der Trockenstresstoleranz zu entwickeln.“

Natürlich führen alle Experimente zu mehr Fragen. Der nächste Schritt für Sato und sein Team besteht darin, herauszufinden, wie Dürrestress zu einem erhöhten NGA1-Spiegel führt.

Mehr Informationen:
Hikaru Sato el al., „Arabidopsis thaliana NGATHA1 Transkriptionsfaktor induziert die ABA-Biosynthese durch Aktivierung des NCED3-Gens bei Dehydrierungsstress“, PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1811491115

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