11.01.2018

Smartes Molekül-Netzwerk hilft Pflanzen beim Erkennen ihrer Umwelt

Ein internationales Team rund um Pflanzenforscher/innen der ÖAW analysierte die komplexen Wechselwirkungen zwischen molekularen Sensoren der Pflanze Ackerschmalwand. Im Fachmagazin „Nature“ berichten sie nun erstmals von einem Interaktionsplan, der Pflanzen das Erkennen und Reagieren auf Umwelteinflüsse ermöglicht.

Die Umwelt wahrzunehmen, um darauf reagieren zu können, ist eine Fähigkeit, die allen Organismen gemein ist. Während der Mensch sich dazu auf seine Sinnesorgane verlassen kann, setzen Pflanzen auf Proteine namens Rezeptorkinasen. Diese molekularen Sensoren erlauben es, chemische Signale wie Wachstumshormone oder Teile von Krankheitserregern zu erkennen, um darauf in der Pflanze entsprechende Reaktionen in Gang setzen zu können. Obwohl Kinasen damit überaus wichtig für die Entwicklung und das Überleben von Pflanzen sind, weiß man bisher noch wenig über sie. Unklar ist etwa, wie Pflanzen mithilfe dieser Kinasen die oft widersprüchlichen Signale von außen überhaupt verarbeiten und eine richtige Reaktion auslösen können.

Ein internationales Team unter der Leitung von Forscher/innen des Gregor Mendel Instituts  für molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) hat dazu nun wichtige Erkenntnisse gewonnen. Wie die Mitglieder von drei österreichischen, zwei kanadischen, zwei US-amerikanischen und einer britischen Forschungsgruppe nun im Fachmagazin „Nature“ schilderten, gelang es mit computergestützten Methoden, Wechselwirkungen zwischen diesen Kinasen in großer Anzahl zu verzeichnen und mithilfe der gewonnenen Daten eine spezielle Interaktionskarte zu entwickeln. Diese deutet auf die Existenz eines hochkomplexen und dynamischen Netzwerks von Rezeptoren hin, die erst durch ihr Zusammenwirken der Pflanze ermöglichen, Signale der Umwelt verarbeiten zu können. Wie essentiell die Netzwerkfähigkeiten dieser molekularen Sensoren sind, zeigte zugleich der Versuch, eine Gruppe dieser Rezeptorkinasen, die man auf den Namen APEX taufte, zu entfernen: Ohne APEX kam es umgehend zu starken Veränderungen in der Entwicklung und Immunreaktion der untersuchten Pflanzen.

Internationaler Erfolg

Für GMI-Gruppenleiter Youssef Belkhadir war dieser Erfolg vor allem dank der engen internationalen Zusammenarbeit spezialisierter Forscher/innen möglich: „Unsere Arbeit zeigt, wie die Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Life Sciences Grenzen und technische Hindernisse überwinden kann, um sich mit wichtigen biologischen Fragen zu beschäftigen.“ Während die Co-Autoren der Studie David Guttman und Darrell Desveaux von der University of Toronto ihr umfangreiches Wissen und ihre reichhaltige Erfahrung auf dem Gebiet der experimentellen Systembiologie und der Netzwerk-Informatik einbrachten, steuerte die Forscher/innengruppe von Cyril Zipfel am Sainsbury Laboratory im englischen Norwich ihr Know-how für anspruchsvolle molekulare Mechanismen bei. Das Labor von Shahid Mukhtar an der US-amerikanischen University of Alabama at Birmingham führte Untersuchungen zu den Interaktionen mit den Rezeptoren innerhalb der Zelle durch, sodass am GMI in Wien schließlich die Daten aller Interaktionen kombiniert und ausgewertet werden konnten.

Mit diesem Erfolg zufrieden geben möchte man sich am GMI übrigens keineswegs. „Mein Labor ist gerade dabei, die Arbeit auf andere Rezeptorklassen der Arabidopsis auszuweiten - und auf Erntepflanzen“, gibt Belkhadir zu verstehen. Klares Ziel sei schließlich, weitere wichtige Rezeptorkinasen zu identifizieren, die Einfluss auf die Stressreaktion bei Pflanzen haben. Um damit Pflanzen künftig gegenüber Umweltstress, wie der globalen Erwärmung oder Krankheitserregern, deutlich widerstandsfähiger zu machen.