Die Unabhängigkeit der Pollenkörner – eine Frage der Energie

Die Pollenkörner von Mais, Reis und anderen Getreidearten müssen für die spätere Nutzung bei der Befruchtung, Stärke als Energiedepot speichern.
Forschende vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, Deutschland, dem Umeå Plant Science Centre, Sweden, dem Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Deutschland, und der Rutgers University, USA, konnten nun das Phytohormon Auxin als Haupttriebkraft für die Energieproduktion während der Pollenreifung in Gerste identifiziert.

Die in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlichte Studie zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen Auxin und der Pollenfruchtbarkeit und stellt damit ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der Pflanzenzüchtung und einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Landwirtschaft dar.

Nach einem langen Tag des Spielens und Herumtobens im Freien wundern wir uns manchmal über die Nahrungsmenge, die kleine Kinder aufnehmen können. Je nach den Umständen variiert ihr Energiebedarf. Diese Schwankungen in der Energieaufnahme treten auch in der frühen Entwicklung auf, wenn unsere Zellen wachsen und sich zu ihren verschiedenen Funktionen entwickeln. Während die Umschaltungen im Energiemanagement, die durch spezifische Hormone und Regulatoren gesteuert werden, bei tierischen Zellen sehr detailliert untersucht worden sind, steht die Forschung bei der Pflanzenentwicklung hier noch am Anfang.

Pflanzen betreiben für ihre Entwicklung und ihr Wachstum Photosynthese. Bei der Photosynthese wird Kohlendioxid zusammen mit Wasser und Energie in Form von Licht in Sauerstoff, Glucose (Zucker) und Stärke umgewandelt. Die gespeicherte Stärke dient als Energiedepot, um ein Pflanzenwachstum auch ohne Lichtenergie zu gewährleisten.

Der Stärkespeicher wird auch für die Entwicklung und das Wachstum der Getreidepollen benötigt. Wird keine Stärke produziert, ist der Pollen nicht befruchtungsfähig und die Pflanze kann sich nicht fortpflanzen. Doch wie und wann sich die Stärke im Pollen tatsächlich aufbaut, war bisher unklar.

Eine Frage der Energie

Da alle Bausteine für die Stärkeproduktion von der Mutterpflanze stammen, bleibt die Stärkebildung eine Frage der Energie als limitierender Faktor. In dieser Studie identifizierten die Forschenden um Dr. Iván Acosta, Auxin als das wesentliche Hormon, das den Energiefluss während der Reifung von Gerstenpollen ankurbelt. Auxin wird benötigt, um die Leistung der Gene und Signalwege anzutreiben, die Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) erzeugen, der molekularen Währungseinheit für Energietransaktionen in Zellen. Das Vorhandensein von aktivem Auxin führt also zu einem verstärkten Fluss von Energieerzeugungswegen, was zu einer starken Anreicherung von Stärke in den Pollen führt.

Durch den Einsatz modernster molekulargenetischer Technologien entdeckten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass Gerstenpollen, unabhängig von der Mutterpflanze, in der Lage sind Auxin zu produzieren. Sie identifizierten ein pollenspezifisches Enzym, nämlich HvYUCCA4, das für den letzten Schritt der Auxin-Synthese verantwortlich ist. Die Forschenden verwendeten eine Pflanzenmutante mit der Bezeichnung „male sterile genetic 38“ (msg38), bei der HvYUCCA4 nicht funktionsfähig ist, so dass der Pollen kein Auxin produzieren und keine Stärke speichern kann. Infolgedessen ist der Pollen von msg38-Pflanzen unfruchtbar. Mit Hilfe dieser Mutante erhielt das Team weitere Einblicke in den hochkomplexen, zeitabhängigen Aufbau der Stärkeproduktion. Um eine erfolgreiche Pollenentwicklung zu gewährleisten, muss die Stärkeproduktion zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnen und abgeschlossen sein, kurz bevor der Pollen aus dem Anther, dem Organ, das den Pollen produziert und verbreitet, freigesetzt wird. Auxin ist das Signal, das den zeitlich korrekten Ablauf dieser Entwicklung steuert.

Auswirkungen auf die Landwirtschaft

Die Ergebnisse verdeutlichen, wie ein tiefes biologisches Verständnis von Kulturpflanzen breite Anwendungen für die Zukunft der Landwirtschaft ermöglichen wird. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Fruchtbarkeitskontrolle bei Gerste und anderen Kulturpflanzen sowie zur Entwicklung neuer Hybridlinien.

„Unsere Entdeckungen werden sich sowohl auf die grundlegende Pflanzenforschung als auch auf die angewandte Getreidezüchtung auswirken“, sagt Acosta. „Gerstenpollen sind ein hervorragendes Modellsystem zur Untersuchung der Auxinsynthese und -signalübertragung ohne die pleiotropen Effekte, die bei anderen Pflanzen mit Auxinmangel einhergehen. Die sehr spezifische Funktion von HvYUC4 bei der Entwicklung von Gerstenpollen legt die chemische Hemmung dieses Enzyms als Methode zur Kontrolle der männlichen Fruchtbarkeit bei Getreidepflanzen nahe; eine solche Strategie würde die Produktion von Hybridsaatgut in großem Maßstab zwischen mehreren Elternpaaren ermöglichen – ein Züchtertraum, der bisher unerfüllt blieb.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Iván Acosta
Email: acosta@mpipz.mpg.de
phone: +49 221 5062 480

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.02.073

https://www.mpipz.mpg.de/