Wie eine Pflanze ihr Wachstum reguliert

Pflanzen zeigen polares Wachstum: Der Spross von Pflanzen wächst zum Licht, um dieses optimal nutzen zu können und die Wurzeln wachsen in Richtung des Erdmittelpunktes in den Boden. Wie die molekularen Mechanismen funktionieren, die diese Prozesse steuern, hat ein Team der Technischen Universität München (TUM) in Zusammenarbeit mit zwei Wiener Arbeitsgruppen nun genauer beschreiben können.

Pflanzen wachsen zum Licht. Dieses Phänomen, das schon Charles Darwin faszinierte, ist allen bekannt, die Zimmerpflanzen besitzen. Damit stellt die Pflanze sicher, dass sie das Licht optimal nutzen kann, um Photosynthese zu betreiben und Zucker zu synthetisieren. Gleichermaßen wachsen die Wurzeln in den Boden, um die Versorgung der Pflanze mit Wasser und Nährstoffen zu gewährleisten.

Diese Wachstumsprozesse werden von einem Hormon namens „Auxin“ gesteuert, das bei der Ausbildung der Polarität in Pflanzen eine Schlüsselrolle spielt. Dafür wird Auxin im Pflanzenkörper polar, vom Spross durch den Pflanzenkörper in die Wurzel transportiert. Eine Familie von polaren Transportproteinen verteilt das Auxin dabei in der Pflanze. Wie das funktioniert konnte das Forschungsteam mit Hilfe einer Chemikalie genauer untersuchen.

Wie das Herbizid Naptalam wirkt

Aufgrund ihrer zentralen Rolle bei pflanzlichen Entwicklungsprozessen arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit daran, die Transporterproteine genauer zu untersuchen. Naptalam (NPA) ist ein wichtiges Hilfsmittel, um die Struktur der Transporter aufzuklären.

Naphthylphthalsäure hemmt den gerichteten Auxin-Fluss, wodurch das Pflanzenwachstum stark beeinträchtigt wird. In der Europäischen Union war die Chemikalie bis 2002 unter dem Namen Naptalam als Herbizid zugelassen. Das Natriumsalz von Naptalam wird in den USA als Vorauflauf-Herbizid zur Bekämpfung von Blattunkräutern bei Kürbisgewächsen und Baumschulbeständen bis heute verwendet.

„Wir wollten wissen, wie Naptalam seine Wirkung entfaltet“, sagt PD Dr. Ulrich Hammes, der Leiter der Studie. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Aktivität der Auxintransporter durch den Hemmstoff wirklich vollständig zum Erliegen kommt.“ Durch die Bindung von NPA an die Transportproteine kann kein Auxin mehr aus der Zelle gelangen und damit ist die Pflanze nicht mehr in der Lage, polar zu wachsen. Die Wurzeln wachsen dann nicht mehr zum Erdmittelpunkt und die Blüten- und Samenbildung wird massiv gestört.

Eine Wirkung des Hemmstoffes NPA auf die Aktivatoren der Transporter, so genannte Kinasen, konnte durch die Zusammenarbeit mit Claus Schwechheimer, Professor für Systembiologie der Pflanzen an der TUM, an dessen Lehrstuhl die Arbeiten durchgeführt wurden, ausgeschlossen werden. Er erklärt: „Damit ist klar, dass der Hemmstoff NPA direkt auf die Transportproteine wirkt.“

Wie Transportproteine zur Pflanzenentwicklung beitragen

„Wir können jetzt den molekularen Mechanismus, mit dem polares Wachstum der Pflanzen pharmakologisch gestört werden kann, eindeutig erklären“, sagt Ulrich Hammes.

Die Arbeitsgruppen in Wien konnten zeigen, dass Naptalam die Transporter nicht nur bindet, sondern auch verhindert, dass die Transporter aneinander binden können. „Dieser Mechanismus des Aneinanderbindens scheint bei der Familie von Auxintransportern universell zu gelten, da wir den Effekt in allen untersuchten Transportern beobachten konnten“, sagt Martina Kolb, die Erstautorin der Studie.

Besseres Verständnis der molekularen Zusammenhänge

Die Studie stellt insgesamt einen wesentlichen Fortschritt zum Verständnis des Mechanismus der molekularen Maschinerie der pflanzlichen Polarität dar. Durch die neuen Erkenntnisse ist es möglich, das polare Wachstum präziser zu untersuchen und den molekularen Mechanismus des Auxintransportes zu verstehen.

An der TUM School of Life Sciences in Weihenstephan arbeiten die Forschenden daher nun vertieft weiter an der Charakterisierung polarer Auxintransportprozesse. „Wir hoffen in der Lage zu sein, durch diesen Mechanismus die Wachstumsbewegungen der Pflanze besser verstehen zu können“, sagt PD Dr. Hammes.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

PD Dr. Ulrich Hammes
Technische Universität München
TUM School of Life Sciences
Wissenschaftler am Lehrstuhl für Systembiologie der Pflanzen
E-Mail: ulrich.hammes(at)wzw.tum.de

Prof. Dr. Claus Schwechheimer
Technische Universität München
TUM School of Life Sciences
Lehrstuhl für Systembiologie der Pflanzen
Tel.: +49-8161-71-2880
E-Mail: claus.schwechheimer(at)wzw.tum.de

Originalpublikation:

Lindy Abas, Martina Kolb, Johannes Stadlmann, Dorina P. Janacek, Kristina Lukic, Claus Schwechheimer, Leonid A. Sazanov, Lukas Mach, Jiří Friml, and Ulrich Z. Hammes: Naphthylphthalamic acid associates with and inhibits PIN auxin transporters. PNAS January 5, 2021 118 (1)

Weitere Informationen:

https://mediatum.ub.tum.de/1599495 (Bildmaterial mit hoher Auflösung)
https://www.tum.de/nc/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/36464/ (Pressemitteilung)
https://www.sysbiol.wzw.tum.de/arbeitsgruppe-pd-dr-ulrich-hammes/ (Arbeitsgruppe U. Hammes)