Das Phytohormon Auxin ist an nahezu allen Entwicklungsprozessen einer Pflanze beteiligt. Der Signalstoff, der in den Blättern gebildet wird, sorgt unter anderem dafür, dass die Pflanze zum Licht wächst und Seitenwurzeln bildet. Darüber hinaus ist er auf den verschiedensten Signalwegen innerhalb der Pflanze anzutreffen und steuert entsprechende Prozesse. Dass ein einziger Signalstoff diese Breitenwirkung hat, gilt als Phänomen und ist für Pflanzenforscher weltweit seit Langem von Interesse. Bekannt ist, dass die Wirkung des Hormons von Proteinen hervorgerufen wird, die im Zellkern das Hormon erkennen und binden, so andere Proteine aktivieren und das Signal zur Bindung weitergeben. Am Ende der Signalübertragungskette sind all jene Gene aktiv, die in der Pflanze beispielsweise die Teilung, Streckung und Differenzierung der Zellen anregen. Über die Bindung des Hormons an sein Rezeptorprotein war bisher wenig bekannt.

Wissenschaftlern des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie in Halle haben nun gemeinsam mit Partnern der Martin-Luther-Universität klären können, wie die Signalübertragung des Hormons innerhalb der Pflanze angeschoben wird, und welche Faktoren die Vielseitigkeit prägen. Wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet, konnten sie anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand eine wichtige Regulationsebene ausmachen, die den Signalstoff an die jeweiligen Erfordernisse anfasst und Auxin somit zum Alleskönner macht.

Pflanzenhormon als molekularer Klebstoff

Demnach bindet Auxin nicht nur an ein Rezeptorprotein. Vielmehr wirkt es als molekularer Klebstoff, der zwei Hauptakteure eines ganzen Rezeptorkomplexes verbindet. Dabei handelt es sich um den TIR1-Rezeptor und den sogenannten AUX/IAA-Repressor, ein Protein, das die entsprechenden Wachstums- und Entwicklungsgene blockiert. Durch den Abbau des Repressors werden die zuvor durch ihn blockierten Wachstumsgene frei und können nun abgelesen werden.

Pflanzenhormon wirkt über Rezeptorkomplex

Bei der Modelpflanze Arabidopsis thaliana sind bisher sechs verschiedene TIR1-ähnliche Rezeptorproteine und 29 verschiedene AUX/IAA-Repressorproteine bekannt, die das Hormon theoretisch aneinander koppeln kann. Der Studie zufolge könnte das Pflanzenhormon über die Vielzahl möglicher Rezeptorkomplexe bewirken, dass die Pflanze daraufhin die entsprechenden Wachstums- oder Entwicklungsgene aktiviert.

Zum Nachweis dieses Prozesses verglichen die Wissenschaftler zwei konkrete Repressorproteine, die AUX/IAA-Proteine IAA6 und IAA19, in ihrem Bindungsverhalten zu Auxin und zum TIR1-Rezeptor. Dabei zeigte sich, dass der Rezeptorkomplex TIR1-IAA19, das Phytohormon stärker bindet und auch alle nachfolgenden Schritte der Signalübertragung stärker als der Rezeptorkomplex TIR1-IAA6 beeinflusst. Die Folge: Unterschiedliche Gene können in unterschiedlichen Geweben und zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiviert werden. 

Geschwistergene identifiziert

Interessant dabei war, dass sich die beiden codierten Repressorgene wie Geschwister ähneln. Sie sind sozusagen doppelgänger, die ein Paar bilden, sich aber jeweils ganz unterschiedlich verhalten. Die Hallenser Wissenschaftler vermuten hier eine sogenannte Subfunktionalisierung der Proteine, die sich im Laufe der Evolution bei den „Geschwistern“ herausgebildet hat. Diese Art der Subfunktionalisierung könnte den Forschern zufolge auch bei den IAA-Proteinen und bei weiteren Genkopien des Repressors erfolgt sein.

bb