Neuer Wirkungsmechanismus des Pflanzenhormons Auxin nachgewiesen

Das Hormon Auxin ist für die Entwicklung von Pflanzen essentiell. Es steuert eine Vielzahl von Prozessen, von der Embryonalentwicklung im Samen bis zur Verzweigung der wachsenden Pflanze. Bislang glaubte man, dass sein Signalmechanismus hauptsächlich im Zellkern wirkt und ausschließlich über ein Regulieren der Gentranskription funktioniert. WissenschaftlerInnen um Jiří Friml vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben nun aber bewiesen, dass ein anderer Wirkmechanismus existiert und dass die Zellen in den Wurzeln auch unmittelbar auf Auxin reagieren können. Diese Wirkungsweise ermöglicht eine schnelle Richtungsanpassung des Wurzelwachstums.

Wenn der Samen einer Pflanze keimt, muss die Wurzel schnell die Richtung der Schwerkraft erkennen, sich entsprechend biegen und nach unten wachsen, um festen Halt, Wasser und Nährstoffe zu finden. Eine solche Biegung wird erreicht, indem sich das Wachstum der Zellen auf einer Seite der Wurzel fortsetzt, während es auf der anderen Seite gehemmt wird. Diese Hemmung wird bekanntermaßen durch das Hormon Auxin ausgelöst und erfolgt sehr schnell, die genauen Reaktionszeiten waren aber schwierig zu messen. Mit einem innovativen Experimentaufbau konnten die ForscherInnen nun herausfinden, wie schnell genau die Wurzeln auf Änderungen der Auxinkonzentration reagieren. Sie fanden, dass die Anpassung der Wachstumsrate extrem schnell erfolgt  ̶̶  viel zu schnell, um durch den Mechanismus der Gentranskription erklärt zu werden. Sie folgern, dass es einen entsprechend schnellen Wahrnehmungsmechanismus geben muss.

Neue Verzweigung im altbekannten Weg

Der neue Mechanismus ist jedoch nicht völlig unbekannt. Komponenten des gut untersuchten Signalweges, der TIR1-Rezeptor, werden für die neue Wirkungsweise benötigt. „Wir haben mit unserem Experiment bewiesen, dass die Signalübertragung tatsächlich nicht über Transkription funktioniert, aber wir haben auch gesehen, dass Komponenten des ursprünglichen Transkriptionssignalweges benötigt werden“, erklärt Jiří Friml, Professor am IST Austria und Leiter der Forschungsgruppe. „Dies bedeutet, dass wir es nicht mit einem völlig neuen Weg, sondern mit einem neuen Zweig des kanonischen Weges zu tun haben“, fügt er hinzu.

Ein gekipptes Mikroskop und flüssigkeitsgefüllte Mikrokanäle

Für ihre Studie nutzte das Team eine Technik, die in derselben Forschungsgruppe entwickelt und im Vorjahr bereits dazu genutzt worden war, ein atemberaubendes Video von wachsenden Wurzeln zu produzieren, das zum Sieger des „Nikon Small World in Motion Award“ gekürt wurde: ein gekipptes Mikroskop. Dieses ermöglicht es, die Wurzeln in ihrer natürlichen Orientierung zu beobachten. Die Messung der Reaktionszeit erforderte jedoch noch eine Weiterentwicklung der Technik: Die ForscherInnen mussten in der Lage sein, die Lösung, in der die Wurzeln wachsen, schnell zu verändern.

„Normalerweise würde man das Auxin auftragen und dann die Probe in das Mikroskop einlegen, doch dabei verliert man wertvolle Sekunden oder sogar Minuten. Aber genau diese ersten Minuten sind für diese Studie essenziell“, erklärt Erstautor der Studie Matyáš Fendrych, ehemaliger Postdoc in der Gruppe von Jiří Friml und jetzt Assistenzprofessor an der Karls-Universität in Prag. Die Lösung, die das Team fand, bestand darin, die Wurzeln in mikroskopisch kleinen Kanälen wachsen zu lassen, die mit der gewünschten Flüssigkeit gefüllt waren. „Dadurch konnten wir die Auxinkonzentration ändern und sofort die Reaktion der Wurzel messen“, fügt er hinzu.

Publikation

Matyáš Fendrych et al. Rapid and reversible root growth inhibition by TIR1 auxin signaling. Nature Plant. DOI: 10.1038/s41477-018-0190-1