Arabidopsis thaliana ist die Laborratte der Pflanzenwissenschaften. In bestimmten Genen veränderte Mutanten können die Auswirkungen von Hormonen auf Pflanzen zeigen, aber es kann schwierig sein, eine Reaktion zu ändern, ohne andere zu ändern.
Wie funktionieren Pflanzen? Eine übliche Methode, um herauszufinden, was die verschiedenen Dinge in einer Pflanze tun, besteht darin, eine Mutante zu bekommen und sie gegen eine bekannte Pflanze zu testen, um zu sehen, was die Mutanteneffekte sind. Arabidopsis thaliana ist die richtige Anlage für diese Art von Arbeit. Es hat ein kleines, bekanntes Genom. Es arbeitet auch eine große Anzahl von Leuten daran, sodass es möglich ist, die Ergebnisse zu vergleichen.
Tetiana Kalachova, Martin Janda und Kollegen mit einer bestimmten Arabidopsis-Mutante gearbeitet haben, pi4kβ1β2. Diese Mutante akkumuliert Salicylsäure, eine Schlüsselkomponente des Schmerzmittels Aspirin. Pflanzen bekommen keine Kopfschmerzen, aber sie bekommen Stress, und Salicylsäure ist ein essentielles Hormon zur Linderung von Stress. Das Team hat bereits festgestellt, dass die pi4kβ1β2 Mutante hat Wachstumsstörungen, Ablagerung von Sekundärmetaboliten in Blättern, sowie Resistenz gegen mehrere Krankheitserreger. Aber genau das, was die ausarbeiten pi4kβ1β2 Mutation ist eine Herausforderung, wie der Autor Prof. Ruelland erklärte. „Wenn wir uns die Mutante direkt ansehen, sehen wir wahrscheinlich die Wirkung einer hohen SA-Anhäufung. Die Wirkung der nicht von der hohen SA abhängigen Mutationen kann maskiert werden.“
Das auseinanderziehen, was die Mutation bewirkt, bedeutete für die Autoren, dass wir uns einige andere Auswirkungen der Änderungen ansehen konnten. Prof. Ruelland sagte: „Wir sind daran interessiert, die Rolle der Phosphatidylinositol-4-Kinase beta1 und 2 zu verstehen. Sie sind Enzyme, die an der Synthese von Phosphoinositiden beteiligt sind. Sie sind an Prozessen wie Transport, Signalisierung usw. beteiligt. Es ist wichtig, die von diesen Enzymen kontrollierten Prozesse identifizieren zu können.“
Um herauszufinden was pi4kβ1β2 auf Salicylsäure verzichteten, kreuzten die Autoren a pi4kβ1β2 Mutant mit a sid2 Mutant. sid2 ist eine nützliche Pflanze, weil sie schlecht Salicylsäure produziert. Die Nachkommen dieser beiden Pflanzen sollten also die Wirkung von haben pi4kβ1β2 Abgesehen von den Vorteilen einer höheren Salicylsäurekonzentration. Laut Prof. Ruelland erforderte diese Präparation monatelange Arbeit, um die Pflanzen für die Studie vorzubereiten. „Die Erzeugung von Mehrfachmutanten (die mehrere Mutationen gleichzeitig tragen) ist ein mehrstufiger Prozess. Der Lebenszyklus von Arabidopsis ist recht kurz, daher benötigt der gesamte „Erzeugungsprozess“ einer Dreifachmutante 3–4 Generationen oder 6–8 Monate (wenn alles reibungslos verläuft). Zunächst muss man eine der gewünschten Mutanten mit dem Pollen einer anderen befruchten. Das ist eine heikle Angelegenheit, aber mit etwas Übung machbar. Dann beobachtet man das Wachstum einer hybriden Schote, sammelt Samen und sät diese aus. Dies ist die F1-Generation. Sobald die F1-Pflanzen Blätter entwickeln, können sie für die Genotypisierung beprobt werden. War die Kreuzung erfolgreich (= die F1-Pflanzen sind heterozygot für die gewünschten Mutationen), werden einige einzelne Pflanzen zur Selbstbestäubung belassen, um F2-Samen zu erhalten. Die F2-Pflanzen werden dann weitergezogen und genotypisiert, wobei nun nach homozygoten Individuen gesucht wird.“
Sind die betrachteten Mutationen unabhängig (d. h. die Gene liegen auf verschiedenen Chromosomen oder auf demselben Chromosom, aber in ausreichendem Abstand, um eine unabhängige Vererbung zu ermöglichen), beträgt die Wahrscheinlichkeit, homozygote Pflanzen in der F2-Generation zu erhalten, für jede Mutation 1/4. Aufgrund der Mendelschen Regeln liegt diese Wahrscheinlichkeit bei einer Doppelmutante bei 1/16 und bei einer Dreifachmutante bei 1/64. Jede zusätzliche Mutation vervielfacht die möglichen Allelkombinationen und verlängert somit den Segregationsprozess. Der Prozess wird noch komplexer, wenn eine Mutation (oder deren gleichzeitiges Auftreten) das Wachstum oder die Fruchtbarkeit stark beeinträchtigt.
Die Autoren testeten die Reaktionen der Pflanzen auf Krankheitserreger und verglichen sie mit den Elternpflanzen und Wildtyp-Arabidopsis. Die Ergebnisse zeigen die Bedeutung von Salicylsäure bei der Abwehr von Infektionen durch Wechselwirkungen mit anderen Pflanzenhormonen. Eines der verblüffenden Ergebnisse war, dass „sowohl die Callose-Ansammlung als auch die Pilzpenetration in der pi4kβ1β2-Doppelmutante im Vergleich zu Wildtyppflanzen verstärkt waren“. Dieses Ergebnis mag seltsam erscheinen, da Kallose ein Abwehrmittel ist, das die Pflanze zur Bekämpfung von Pilzinfektionen einsetzt. Wie sind also beide Messwerte gestiegen? Prof. Ruelland sagt, es gehe darum zu untersuchen, wie Kallose in der Pflanze funktioniert.
„Callose wird normalerweise während einer Infektion oder Beschädigung in der Zellwand abgelagert. Ihre Rolle wird jedoch noch diskutiert. Es kann sowohl eine physische Barriere als auch ein Signal an die Nachbarzellen sein. Beim Eindringen von Pilzen dringen sich bildende Papillen und dann Hyphen in Pflanzenzellen ein, und diese „Kontaktstelle“ wird durch Hornhaut verstärkt. Außerdem wird Kallose um nicht angegriffene Zellen gelagert, die das Vorhandensein von Pilzen anhand chemischer Marker erkennen.“
"Sowohl sid2pi4kβ1β2 und pi4kβ1β2 Mutanten ist die Kalloseablagerung im Allgemeinen fehlreguliert: Sie überproduzieren Kallose als Reaktion auf Stimulation. Dies reichte jedoch nicht aus, um das Eindringen von Krankheitserregern zu stoppen. Eine andere Erklärung könnte sein, dass mehr Kallose in Mutanten nur ein Marker für einen größeren Pathogenerfolg ist. Der Grund, warum das Fehlen von PI4K Pflanzen anfällig für Nicht-Wirtspilze machte, ist jedoch noch unbekannt.“
Die Rolle der Salicylsäure ist ein Thema, das weitere Studien belohnen wird, wie Prof. Ruelland sagte. „Wichtige Hormone wie Abscisinsäure-Derivate und Auxin-Konjugate werden durch hohe SA kontrolliert. Wir würden gerne mehr darüber erfahren, wie SA die Spiegel dieser Hormone kontrolliert.“
Die Forschung wird außerhalb des Labors für Pflanzenzüchter von praktischem Wert sein. Prof. Ruelland sagte: „Wir wollen im Allgemeinen verstehen, wie das pflanzliche Immunsystem funktioniert, um weiter resistente Pflanzensorten zu schaffen. Tatsächlich beeinträchtigen Manipulationen mit Produktivitätsmerkmalen oft die Abwehr und können Pflanzen sogar anfällig für ungewöhnliche Krankheitserreger machen. Wir glauben, dass die Phospholipid-Signalmaschinerie ein Ziel für Modifikationen ist, um die basale Immunität der Pflanze zu verbessern und vor sich schnell entwickelnden Krankheitserregern zu schützen.“
