Wenn es heiß wird, können Pflanzen nicht in den Schatten wandern, um sich abzukühlen. Stattdessen verwenden sie Thermomorphogenese, ändern sie ihre Form, um ihre Kühlung zu verbessern. Martijn van Zanten und Kollegen haben herausgefunden, wie sie dies tun, und Möglichkeiten für neue Forschungen eröffnet. Das Molekül heißt HISTONE DEACETYLASE 9 (HDA9) und neue Forschungsergebnisse, die in PNAS veröffentlicht wurden, zeigen, wie es anderen Hormonen signalisiert, die Pflanzenarchitektur zu verändern, wenn es zu warm wird. Es ist interessant, weil HDA9 bereits bekannt ist, einige Funktionen bei der Keimung zu haben, und es scheint auch nicht mit einem anderen Molekül namens PIF4 verbunden zu sein.
PIF4 (PHYTOCHROME-INTERACTOR 4, um ihm seinen vollen Namen zu geben) ist ein Thermosensor. Es hilft einer Pflanze zu wissen, wie warm es ist. PIF4 ist mit Lichtreaktionen in Pflanzen verbunden. Wenn Sie also anfangen, in die Funktionsweise von PIF4 einzugreifen, besteht die Gefahr, dass Sie auch unbeabsichtigte Auswirkungen darauf haben, wie die Pflanze auf Licht und Schatten reagiert. HDA9 reagiert auf Wärme, ohne sich mit PIF4 zu verbinden. Bei steigenden Temperaturen steigt die Häufigkeit des Enzyms, was zur Entfernung epigenetischer Modifikationen von DNA-gebundenen Histonproteinen führt, die eine hemmende Wirkung auf die Synthese des bekannten Pflanzenwachstumshormons Auxin haben. Dadurch steigt der Auxinspiegel und die Pflanze passt ihre Statur an.
„Dieser neue Mechanismus ist wissenschaftlich sehr interessant, weil er zeigt, dass eine Histon-Deacetylase 9 einen indirekten positiven Effekt auf die Transkription hat, während Histon-Deacetylasen allgemein als Unterdrücker dieses Prozesses anerkannt sind“, sagte Van Zanten.
Wie genau HDA9 aktiviert wird, ist noch etwas rätselhaft, so van Zanten. „Wir wissen nicht, ob HDA9 ein direkter Thermosensor ist oder nicht. Wir zeigen lediglich, dass HDA9 zumindest unabhängig vom einzigen bestätigten Thermosensor in Pflanzen, Phytochrom B, agiert (und somit Teil eines neuartigen Thermosignalwegs ist). Das grundsätzliche Problem bei der Erforschung von Thermosensoren besteht darin, dass prinzipiell jedes biologische Molekül aufgrund passiver thermodynamischer Effekte von Natur aus über thermosensorische Fähigkeiten verfügt. Dies erschwert die Untersuchung direkter/aktiver thermosensorischer Ereignisse erheblich. Da HDA9 zudem ein Enzym ist, werden Temperatursignale definitiv passiv vom Protein an sein Substrat weitergeleitet. Die Frage ist also, ob dies über eine atypische Temperaturkinetik (wahrscheinlich ein Sensor) oder über eine normale (passive thermodynamische) Temperaturkinetik (möglicherweise kein Sensor) geschieht.“
„Wir haben einige Experimente zur enzymatischen Aktivität von HDA9 bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, aber dies ergab keinen ungewöhnlichen ‚Q10-Kinetik'-Wert, was bedeutet, dass die Temperaturempfindlichkeit des Enzyms wahrscheinlich durch einen ‚normalen' passiven thermodynamischen Effekt erklärt wird. Dies schließt jedoch nicht die Möglichkeit aus, ein direkter Thermosensor zu sein, da die Aktivität nur ein Aspekt ist (die Proteinfaltung könnte beispielsweise auch temperaturabhängig sein, um ein Beispiel zu geben). Andererseits beobachteten wir, dass sich die HDA9-Proteinspiegel bei hohen Temperaturen stabilisieren, und angesichts der Natur des Proteins als Enzym ist es unwahrscheinlich, dass HDA9 seine eigene Stabilität vermittelt. Das würde also darauf hindeuten, dass ein vorgeschalteter Regulator von HDA9 erforderlich ist und dieser Regulator das thermosensorische Ereignis (Teil davon) sein kann. HDA9 ist anfällig für proteasomalen Abbau, daher vermuten wir, dass ein vorgeschalteter Thermosensor-Effekt ein Faktor dafür sein könnte, dass das Proteasom HDA9 unter kontrollierten Bedingungen abbaut, aber HDA9 bei hohen Temperaturen stabilisiert.“
Dies ist nicht das erste Mal, dass van Zanten HDA9 untersucht. Hatte er früher betrachtete seine Rolle bei der Keimung. Es waren Pflanzen aus dieser früheren Forschung, die unerwartet zu den neuen Erkenntnissen geführt haben, sagte van Zanten. „Ich fing an, die Mutanten zu testen, die ich von meinem alten Institut mitgebracht hatte, und fand die Rolle von HDA9 bei der Thermomorphogenese tatsächlich durch Zufall. Später fand eine Gruppe in Australien (einer der Koautoren meiner aktuellen Arbeit) eine Rolle für den Faktor Powerdress (PWR) bei der Temperatursignalisierung, und bis dahin wurde gerade von anderen festgestellt, dass dieser Faktor mit HDA9 interagiert, und die Daten, die wir zu diesem Zeitpunkt unabhängig erhoben haben, passten vollständig"
„Im aktuellen Paper in PNAS klären wir die zugrunde liegenden Mechanismen auf. Wir haben die Rolle von HDA9 bei der temperaturabhängigen Keimung nie getestet (wir sollten eigentlich …), aber wir wissen, dass HDA9 eine Rolle bei der Etablierung von Sämlingen und dem Start des vegetativen Programms der Pflanzen und dem Abschalten des embryonalen Programms nach der Keimung spielt. Dies passt zu unserer aktuellen Schlussfolgerung, dass HDA9 für die Thermosensorik im frühen Leben der Pflanze (Keimling) wichtig ist. Es gibt also eine räumliche/zeitliche Beziehung zwischen der Rolle von HDA9 in der Samenbiologie und der Etablierung und Thermomorphogenese von Sämlingen, die wir derzeit weiterverfolgen, indem wir testen, ob bekannte HDA9-Zielgene in Samen auch eine Rolle bei der Temperaturakklimatisierung spielen.“
In seine Nature Plants-Rezension, stellt van Zanten fest, dass ein Großteil der Pflanzentemperaturarbeit zwischen 20 und 29 °C lag. Während dies ein für die Landwirtschaft wichtiges Fenster ist, glaubt van Zanten, dass es möglicherweise mehr zu entdecken gibt, wie HDA9 mit der Physiologie außerhalb dieses Bereichs reagiert. „Wir haben die Rolle HDA9 nur im Bereich der ‚Thermomorphogenese‘ (20–29 °C) getestet, aber ich wäre nicht überrascht, wenn es auch die Reaktionen auf Hitze- oder Kältestress beeinflussen würde. Beachten Sie jedoch, dass wir „Thermomorphogenese“ als eine physiologische Akklimatisierungsreaktion betrachten („unter nicht optimalen Bedingungen optimal leben“); Das heißt, es sind keine typischen Stresssignale beteiligt, die für Toleranz (zu leben oder zu sterben) erforderlich sind, wie ROS-Akkumulation oder Induktion zellulärer Schutzmechanismen, die bei Kälte- und Hitzestress induziert werden.“
„Aus historischerer Sicht sind die Kälte- und Wärmesignalfelder unterschiedliche Gemeinschaften, und später kam die Thermomorphogenese-Gemeinschaft dazwischen, die ihre Wurzeln in der Photobiologie hat. Wir beginnen jetzt zu erkennen, dass tatsächlich einige der Schlüsselfaktoren, die an der Kältesignalisierung beteiligt sind, auch eine Rolle bei der Thermomorphogenese spielen und wahrscheinlich umgekehrt dasselbe gilt. Das Problem bei Temperaturexperimenten besteht darin, dass jede untersuchte „Temperatur“ einen auf diese Temperatur eingestellten Wachstumsraum erfordert, was Studien zu kontrollierten Temperaturgradienten erheblich erschwert. Wir haben jetzt eine Thermogradiententabelle entwickelt, in der wir unterschiedliche Temperaturen von 5 °C bis 40 °C gleichzeitig bereitstellen können, mit dem Ziel, tatsächlich zu überprüfen, ob die Temperatursignalisierung ein Kontinuum ist, an dem dieselben Faktoren beteiligt sind, oder dass jeder Temperaturbereich davon abhängt auf "seinem" genetischen Programm. Ich hoffe also, dass ich in ein paar Jahren eine schlüssigere Antwort geben kann.“
Während Pflanzen mit Thermomorphogenese besser angepasst werden können, gibt es laut van Zanten einige Kompromisse bei der Wassernutzung. Aber es könnte auch andere Vorteile geben. „Der Wasserverbrauch wird zunehmen, wenn Pflanzen mehr transpirieren, also ja, die Thermomorphogenese erhöht typischerweise auch den Wasserverbrauch, und das ist nicht immer erwünscht. In vielen Fällen ist es jedoch das angestrebte Ziel, Pflanzen nicht länglich zu machen, sondern kompakt zu halten (denken Sie an Zierpflanzen). Dort können wir auch die Informationen zu HDA9 anwenden. Wenn Pflanzen optimal an eine bestimmte Temperatur angepasst sind, könnten die Vorteile darüber hinaus in einem geringeren Bedarf zum Heizen oder Kühlen der Gewächshäuser liegen; also Energie sparen.“
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass es nun möglich ist, die Licht- und Wärmereaktion in Pflanzen auseinanderzuziehen, da HDA9 unabhängig von PIF4 ist. „Schattenvermeidung und Thermomorphogenese sind phänotypisch ähnlich und die meisten – wenn nicht alle – genetischen Faktoren, die derzeit mit Thermomorphogenese in Verbindung gebracht werden, spielen ebenfalls eine Rolle bei der Schattenvermeidung“, sagte van Zanten. „Mit HDA9 können wir jetzt die Pfade trennen, und dies kann nützlich sein, um die Temperaturreaktion unabhängig von Lichtreaktionen zu steuern. Auch in der grünen Revolution war die Auswahl von Feldfrüchten neben anderen Merkmalen gegen Schattenvermeidung (um dichte Bestände auf dem Feld mit kompakten, ertragreichen Pflanzen zu ermöglichen), und dies ging auch zu Lasten der Temperaturempfindlichkeit. Mithilfe der HDA9-Signalisierung können wir jetzt damit beginnen, die Reaktionsfähigkeit auf Temperatur und Licht zurückzubringen/abzustimmen.“
Als Ergebnis bietet die Forschung neue Ziele für die Pflanzenzüchtung, um die Klimaverträglichkeit von Nutzpflanzen zu verbessern. Da derzeit jedes Grad Celsius Temperaturerhöhung zu bis zu 10 Prozent Ernteverlust führen kann, könnte dies in Zukunft ein wichtiges Hilfsmittel für die Ernährung der Menschen sein.
