Das ewige Warten auf einen Bus, nur dass zwei gleichzeitig ankommen, sorgt garantiert für Stirnrunzeln oder Schlimmeres. Aber in diesem Fall haben zwei Busse zusammen eine ganz andere Wirkung. Bei den betroffenen Bussen handelt es sich um zwei aufeinanderfolgende „Briefe“, die am 23. Oktober 2011 in der Zeitschrift Nature (Likausi et al. Natur doi: 10.1038 / nature10536 und Gibbs et al., Natur doi: 10.1038 / nature10534). Ihr Erscheinen bringt diejenigen eher zum Lächeln als zum Stirnrunzeln, die die lang ersehnten Neuigkeiten darüber haben, wie Pflanzen spüren, dass der Sauerstoff zur Neige geht, und wie sie sich vor weiterem Sauerstoffverlust schützen. Dies ist wichtig, da wachsende Pflanzen reichlich Sauerstoff benötigen. Die Sauerstoffversorgung ist jedoch oft durch zu nasse Böden und durch tiefere Überschwemmungen oder Überschwemmungen insbesondere von Sämlingen unserer Kulturpflanzen gefährdet. Es sind nicht nur Wasserpflanzen und semi-aquatische Arten wie Reis, die sich entwickelt haben, um mit dem Problem fertig zu werden. Auch Landpflanzen besitzen Anpassungsmechanismen, die eingreifen, wenn der Sauerstoff abnimmt. Diese lassen sie etwas länger überleben, wenn der Sauerstoff dann weiter abnimmt oder ganz verschwindet. Es ist seit Jahren bekannt, dass Sämlinge, die einige Stunden lang einem partiellen Sauerstoffmangel ausgesetzt sind, ihre Fähigkeit verbessern, eine spätere Zeit ohne Sauerstoff zu überleben. Dieser Trainingseffekt ist mit einer erhöhten Expression bestimmter Gene verbunden, insbesondere jener, die für Enzyme kodieren, die am anaeroben Stoffwechsel beteiligt sind (z. B. Alkoholdehydrogenase, Pyruvatdecarboxylase, Saccharosesynthase). Aber wie die Pflanzen den Sauerstoffmangel spüren und die entsprechenden Gene aktivieren, war bisher unklar. Mit dieser Frage beschäftigen sich diese beiden Briefe an die Natur.

Jede Gruppe verwendete die Modellpflanze Arabidopsis thaliana und jeder landete auf einer Untergruppe von Transkriptionsfaktoren, die als Ethylen-Reaktionsfaktoren (ERFs) bezeichnet werden, als Schlüsselproteine, die Sauerstoffmangel erkennen. Lassen Sie sich nicht vom Namen täuschen. Das Pflanzenhormon Ethylen ist weder notwendigerweise an der Produktion von Untergruppenmitgliedern (genauer gesagt der ERF-Untergruppe VII) noch an deren Aktivierung wichtiger adaptiver Gene wie der Alkoholdehydrogenase beteiligt. Beide Veröffentlichungen identifizieren auch die Regulierung des ERF-Proteinabbaus als den Schlüsselprozess, der auf Sauerstoff reagiert. Es wird gezeigt, dass die Anfälligkeit des Proteinabbaumechanismus gegenüber Sauerstoffmangel davon abhängt, dass eine geeignete N-terminale Aminosäuresequenz vorhanden ist. Wenn die Sauerstoffkonzentrationen fallen, ist diese terminale Sequenz wesentlich, wenn die ERF vor dem üblicheren Abbau geschützt werden soll, der in vollständig aeroben Zellen beobachtet wird. Diese N-terminalen Reste finden sich auch in Proteinen anderer Organismen, wo sie bereits als Substrate für den sogenannten N-Ende-Regelweg bekannt sind, der sie schnell abbaut. Dieser Weg hat einen Sauerstoff benötigenden Schritt, der einen Prozess ermöglicht, der Ubiquitinierung genannt wird. Dies wiederum führt zum Abbau innerhalb großer Eiweißkörper (Proteosomen). Das Erfassen eines niedrigen Sauerstoffgehalts in Pflanzen läuft somit darauf hinaus, die Oxidation eines Schlüssel-Transkriptionsfaktors vom ERF-Typ am N-terminalen Ende zu blockieren. Dies wiederum verlängert sein Zellleben ausreichend, um adaptive Gene zu aktivieren, die für eine verbesserte Toleranz gegenüber Sauerstoffverlust erforderlich sind. Zusätzlich zum Schutz vor Abbau bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen gibt es ein Targeting von ERF auf Hypoxie-induzierbare Gene im Zellkern. Darüber hinaus sind nicht nur verbesserte posttranslationale Stabilität und Targeting beteiligt. Die Transkription des als RAP2.12 bekannten Gens für das ERF wird auch gefördert, wenn Luft (21 % Sauerstoff) durch 1 % Sauerstoff ersetzt wird.

Jeder dieser beiden Artikel verstärkt den anderen. Die Ergebnisse sind reich an experimentellen Details und versprechen neue molekulare Ansätze zur Verbesserung der Überschwemmungstoleranz von Kulturpflanzen der Zukunft. In einer zunehmend hungernden und von Überschwemmungen bedrohten Welt kann dies nur eine sehr gute Nachricht sein.