Vom Spleißen zum Überleben: Wie Pflanzen mit Stress umgehen
Forschungsteam aus Bielefeld untersucht veränderte Genexpression
Pflanzen sind vielen Einflüssen aus ihrer Umwelt ausgesetzt, die auf sie einwirken: Wie warm oder kalt ist es? Wie schattig oder sonnig ist der Standort? Wie trocken oder salzhaltig ist der Boden? „Wenn sich die Bedingungen auf ungünstige Weise verändern, können Pflanzen sich natürlich nicht einfach einen neuen Standort suchen“, sagt die Biotechnologin Dr. Julieta Mateos von der Fakultät für Biologie der Universität Bielefeld. Um mit solchen Herausforderungen umzugehen, können Pflanzen aber die Genexpression verändern, also den Prozess, bei dem Informationen, die in den Genen gespeichert sind, in Proteine umgesetzt werden.
Die Wissenschaftlerin hat gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam untersucht, auf welche Weise diese Veränderungen passieren, welche Proteine dabei eine Rolle spielen und wie sich verschiedene Umweltbedingungen konkret auswirken. Die Studie wurde jetzt in „The Plant Cell“ veröffentlicht. Für die Untersuchung arbeiteten Bielefelder Biolog*innen mit Kolleg*innen des IFIBYNE, dem Institut für Physiologie, Molekularbiologie und Neurowissenschaften in Buenos Aires, Argentinien, zusammen. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Ministerium für Wissenschaft, Technologie und produktive Innovation in Argentinien gefördert.
Alternatives Spleißen als Strategie
Für ihre Experimente haben die Forschenden Arabidopsis-Pflanzen, die Ackerschmalwand, genutzt – sie ist verwandt mit Raps, Brokkoli oder auch Blumenkohl. „Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass in Arabidopsis-Pflanzen ein bestimmtes Protein, eine Proteinmethyltransferase, andere Proteine durch eine chemische Modifikation verändert“, sagt Julieta Mateos. Eines dieser modifizierten Proteine, LSM 4, erregte dabei die besondere Aufmerksamkeit der Forschenden.
Es spielt eine Rolle dabei, wie die genetische Information in den Zellen verarbeitet wird, insbesondere beim sogenannten alternativen Spleißen von RNA. Dabei werden manche Teile der RNA herausgeschnitten und neu zusammengesetzt. So können aus einem einzigen Gen verschiedene Proteine hergestellt werden. „Um besser zu verstehen, wie dieser Prozess reguliert wird, haben wir LSM4 in Arabidopsis genauer untersucht.“ Die Forschung zeige, dass es oft zu Fehlern in der Art und Weise komme, wie Pflanzen alternatives Spleißen regulieren, wenn das Protein LSM 4 modifiziert werde.
Flexible Reaktion auf Umweltfaktoren
„Das Ergebnis hat uns überrascht“, sagt die Wissenschaftlerin. Denn wächst eine Pflanze unter für sie guten Bedingungen, spielt die Modifikation von LSM4 kaum eine Rolle. „Sie kommt aber zum Tragen, wenn die Pflanze plötzlich unter Stress gerät.“ Interessant ist dabei auch, dass die Pflanze hoch spezifisch auf verschiedene Arten von Stress reagiert. Bei einer Bakterieninfektion wird das LSM4-Protein weniger stark durch die Proteinmethyltransferase chemisch verändert, was den Pflanzen hilft, ihre Abwehr zu stärken. Auf der anderen Seite führt ein hoher Salzgehalt des Bodens umgekehrt aber dazu, dass das Protein stark verändert wird, damit die Pflanze wirksamer auf den Stress aus der Umwelt reagieren kann.
„Unsere Entdeckungen zeigen, wie flexibel Pflanzen auf verschiedene Arten von Stress reagieren und die Genexpression auf der Ebene des alternativen Spleißens anpassen, damit sie überleben können“, sagt die Wissenschaftlerin. „Als nächstes wollen wir untersuchen, wie diese Änderungen Pflanzen helfen, sich rasch an ihre Umgebung anzupassen. Die komplexen Wechselwirkungen könnten uns wichtige Hinweise auf die Mechanismen geben, die Pflanzen dazu nutzen.“
Arabidopsis-Pflanzen haben etwa 25.000 bis 30.000 Gene. „Das alternative Spleißen ist ein sehr effektiver Mechanismus, um mit dieser begrenzten Anzahl sehr unterschiedliche Proteine mit diversen Funktionen in der Zelle zu erzielen“, sagt die Biochemikerin Professorin Dr. Dorothee Staiger von der Fakultät für Biologie der Universität Bielefeld. Sie leitet den Lehrstuhl „RNA Biologie und Molekulare Physiologie“ und ist Mitautorin der Studie.
Bedeutung mit Blick auf Klimawandel
Die Untersuchungen seien auch mit Blick auf den Klimawandel wichtig. Steigende Temperaturen, die bereits jetzt zu beobachten sind, setzen viele Pflanzen unter Stress. Darüber hinaus steigt durch die sinkenden Niederschlagsmengen in vielen Böden der Salzgehalt an. „Wenn wir die Mechanismen besser verstehen, mit denen Pflanzen auf solche Einflüsse aus der Umwelt reagieren, dann könnten wir in Zukunft in der Lage sein, Pflanzen gezielt in eine Richtung zu entwickeln, die sie widerstandfähiger macht“, sagt Dorothee Staiger. Dafür seien unterschiedliche Methoden denkbar, die auf der Genschere CRISP/Cas beruhen.
„Das könnte ein sehr effektiver Weg sein, um Pflanzen besser an den Klimawandel anzupassen“, sagt die Forscherin. Diese Veränderungen könnten vergleichsweise schnell erzielt werden. „Würden die Pflanzen sich auf natürliche Weise daran anpassen müssen, würde es dagegen mehrere Tausend Jahre dauern.“ Die Ergebnisse könnten also in Zukunft dazu beitragen, Pflanzen effektiv widerstandsfähiger zu machen, um ihr Überleben zu sichern.
The Plant Cell
Die wissenschaftliche Fachzeitschrift „The Plant Cell“ stellt die molekularen Prozesse in Pflanzenzellen in den Mittelpunkt. Das Magazin bietet fundierte Einblicke in die neuesten Entwicklungen und Durchbrüche in der Pflanzenbiologie, von der Genetik bis zur Zellbiologie. Herausgegeben wird es von der ASPB, der Amerikanischen Gesellschaft der Pflanzenbiolog*innen. Laut dem Datenservice Clarivate ist The Plant Cell die sechstmeistzitierte Fachzeitschrift in den Pflanzenwissenschaften mit einem Impact-Faktor von 12,0 (2022).
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Julieta Mateos, Universität Bielefeld
Fakultät für Biologie
Telefon 0521 106-5600
E-Mail: julieta.mateos@uni-bielefeld.de
Originalpublikation:
Yamila Carla Agrofoglio, María José Iglesias, Soledad Perez-Santángelo, María José de Leone, Tino Koester, Rafael Catalá, Julio Salinas, Marcelo J. Yanovsky, Dorothee Staiger, Julieta L. Mateos: Arginine methylation of SM-LIKE PROTEIN 4 antagonistically affects alternative splicing during Arabidopsis stress responses. The Plant Cell, https://doi.org/10.1093/plcell/koae051, erschienen am 22. März 2024.
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