Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) haben das Signalnetzwerk in Pflanzen kartiert und neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Pflanzen Informationen über ihre Umwelt verarbeiten. Die Forschenden sehen darin auch Potential für neue Strategien um beispielsweise Nutzpflanzen besser vor zunehmender Dürre schützen zu können.
Pflanzen verarbeiten kontinuierlich Informationen über die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen oder über mögliche Krankheitserreger, um Samen und Früchte für die Fortpflanzung zu produzieren, die die Grundlage für die Ernährung des Menschen darstellen. Damit wir Pflanzen nachhaltiger vor zunehmenden Dürreperioden schützen können, ist ein besseres Verständnis über die molekularen Mechanismen hinter deren Informationsverarbeitung entscheidend. Forschende wissen bereits viel über die Signalwege selbst – beispielsweise, dass Pflanzenhormone molekulare Signalwege auslösen, die die Entwicklung der Pflanze steuern aber auch für Stressreaktionen, beispielsweise aufgrund von Dürre oder Schädlingsbefall verantwortlich sind. Wie der Informationsaustausch zwischen diesen Signalwegen genau abläuft, war jedoch nicht bekannt.
Hunderte neue Knotenpunkte für den Informationsaustausch identifiziert
Eine Forschungsgruppe des Instituts für Netzwerkbiologie (INET) des Helmholtz Zentrums München hat unter Beteiligung von LMU-Biologen das molekulare Proteinnetzwerk von Pflanzen systematisch kartographiert, indem es mehr als 17 Millionen Proteinpaare experimentell auf wechselseitige Interaktionen prüfte. Dafür setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine moderne robotergestützte Pipeline in Kombination mit Methoden der Bioinformatik ein. Sie analysierten das so kartographierte Netzwerk aus mehr als 2.000 beobachteten Interaktionen zwischen Proteinen mit Hilfe bioinformatischer und mathematischer Ansätze aus Statistik und Graphentheorie, um Signalwege und deren potenzielle Informationsknotenpunkte zu finden. Letztendlich konnte das Team hunderte vorher unbekannter Informationsknotenpunkte in den Pflanzen identifizieren.
Die meisten Proteine erfüllen Aufgaben in mehreren Signalwegen
Durch genetische Experimente konnte die Gruppe zeigen, dass alle getesteten Interaktionen zwischen Proteinen, von denen man bisher annahm, dass sie nur Teil eines einzigen Signalweges sind, tatsächlich die Kommunikation zwischen verschiedenen Signalwegen regeln. „Das ist eines der erstaunlichsten Erkenntnisse aus dieser Studie: Die meisten Proteine fungieren in mehreren Signalwegen. Im Gegensatz zu Studien, die ein oder wenige Proteine untersuchen, zeigen unsere Ergebnisse, zu welch hohem Grad die verschiedenen Signalwege physisch und funktionell miteinander verflochten sind. Wir glauben, dass wir damit eine grundlegende Funktionsweise entdeckt haben, der wir unbedingt weitere Aufmerksamkeit schenken müssen“, sagt Dr. Melina Altmann, Erstautorin der Studie.
Mit Biotechnologie zu neuen Pflanzen
Prof. Pascal Falter-Braun, Direktor des Instituts für Netzwerkbiologie und Lehrstuhlinhaber an der LMU, fügt hinzu: „Diese Erkenntnis könnte zu neuen Strategien für die biotechnologische Entwicklung oder Züchtung von Pflanzen führen, um den Herausforderungen des Klimawandels in der Landwirtschaft zu begegnen. In Zukunft könnten wir beispielsweise versuchen, die Informationsverarbeitung von Nutzpflanzen gezielt so zu verändern, dass die Pflanzen weniger Dünger und Pestizide benötigen oder resistenter gegen Dürreperioden sind.“
Finanzierung und Kooperationen
Diese Ergebnisse sind das Resultat langjähriger Forschungsarbeiten des Instituts für Netzwerkbiologie zum Verständnis molekularer Netzwerke bei Pflanzen und Menschen. Dieses Projekt wurde im Rahmen des DFG geförderten SFB924 „Molekulare Mechanismen zur Regulierung von Ertrag und Ertragsstabilität in Pflanzen“ und eines ERC Consolidator Grants an Prof. Pascal Falter-Braun, durchgeführt. Für diese Studie kooperierte das Institut mit Gruppen der School of Life Sciences der Technischen Universität München (TUM), dem Department of Environmental Sciences des Helmholtz Zentrums München und der University of Warwick in Großbritannien.
Originalpublikation:
Altmann & Altmann et al., 2020: Extensive signal integration by the phytohormone protein network. Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2460-0
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