Waldbrände können durch eine Landschaft fegen und den Tod bringen en masse zu Pflanzen. Aber als das Feuer so viele Pflanzen vernichtet, eröffnet sich den Überlebenden eine Chance. Samen, die vor den Flammen geschützt sind, können warten, bis sie Rauch riechen, um zu keimen, indem sie ein „Rauchdetektor“-Protein namens KAI2 verwenden, aber woher kommt diese Fähigkeit? Angelica Guercio und Kollegen untersuchten Pflanzen, die nicht für Feuer geeignet sind um zu sehen, was KAI2-Proteine für sie tun.
Die KAI2-Proteine sind etwas, das Pflanzen früh in ihrer Evolution entwickelt haben. Die Proteine interagieren mit Chemikalien, die Karrikine genannt werden. Karrikine sind eine besonders nützliche Chemikalie für Pflanzen, da sie durch das Verbrennen von Pflanzen produziert werden. Wenn eine Pflanze Karrikine riechen kann, weiß sie, dass andere Pflanzen ein Problem haben, sodass Karrikine die Keimung in Samen auslösen können, damit neue Pflanzen sprießen können.
Diese Fähigkeit ist so wertvoll, dass Flematti und Kollegen diese Samen vorgeschlagen haben erstmals in der Kreidezeit in der Lage zu sein, Rauch zu erkennen, als Angiospermen, Pflanzen, die Samen produzieren, sich schnell entwickelten. Heutzutage können Karrikine die Keimung einiger Pflanzen induzieren, die ansonsten nicht an Feuer angepasst sind, einschließlich der Lieblingsmodellpflanze der Botaniker, Arabidopsis.
Die Pflanze, die Guercio und Kollegen untersuchten, war Pisum sativum, die Gartenerbse, eine andere Pflanze, die normalerweise nicht gut mit Feuer fertig wird. Die Forscher untersuchten Erbsen, weil sie zu den Hülsenfrüchten gehören, einer der größten Familien von Blütenpflanzen, darunter mehrere Nutzpflanzenarten. Hülsenfrüchte können durch eine Symbiose mit Mikroben Stickstoff aus der Luft „fixieren“.
Sie fanden heraus, dass das ursprüngliche KAI2-Gen früh in der Evolution der Leguminosen dupliziert wurde und zwei Gene produzierte, KAI2A und KAI2B. Unter Verwendung verschiedener fortschrittlicher Techniken aus der Genetik, Biochemie und Proteinkristallographie fanden sie heraus, dass die beiden Rezeptoren auf unterschiedliche Liganden reagieren. Ein Ligand ist die Chemikalie, die ein Rezeptor aufnimmt. Ein Ligand bindet irreversibel an ein empfangendes Proteinmolekül, wobei der Rezeptor Reaktionen innerhalb einer Zelle auslöst.
Guercio und Kollegen verwendeten Mikroskope, um Zellen im Ångström-Maßstab zu untersuchen. Ein Ångström ist nur ein Zehnmilliardstel Meter, die Art von Skala, die Sie verwenden würden, um den Abstand zwischen Atomen zu messen. Als sie die Zellen so genau untersuchten, konnten sie nicht nur den Liganden und den Rezeptor sehen, sondern auch den Prozess, wie sich die beiden verbinden. Die Autoren schreiben: „Anders als bei der D14-α/β-Hydrolase zeigen Massenspektrometrieanalyse und Strukturuntersuchung einen Modus der Ligandenwahrnehmung und -hydrolyse durch PsKAI2B, der einen Zwischenschritt beinhaltet, bei dem das katalytische Serin vorübergehend an eine Einheit des Liganden gebunden wird und bildet dann mit dem katalytischen Histidin ein stabiles Addukt.“
Das Team fand heraus, dass KAI2B auf eine Vielzahl von Liganden reagierte, einschließlich einer Klasse von Pflanzenhormonen namens Strigolactone. Strigolactone beeinflussen eine Vielzahl von Prozessen in Pflanzen, darunter das Wachstum von Wurzeln und Trieben und die Reaktion von Wurzelnetzwerken auf Pilze und Mikroben im Boden. Das Verständnis, wie diese Strigolactone in einer Pflanze wirken, könnte dazu beitragen, effizientere Pflanzen zu entwickeln, die weniger Düngemittel benötigen.
FORSCHUNGSARTIKEL
Guercio, AM, Torabi, S., Cornu, D., Dalmais, M., Bendahmane, A., Le Signor, C., Pillot, J.-P., Le Bris, P., Boyer, F.-D ., Rameau, C., Gutjahr, C., de Saint Germain, A. und Shabek, N. (2022) „Strukturelle und funktionelle Analysen erklären die Pea KAI2-Rezeptordiversität und offenbaren die stereoselektive Katalyse während der Signalwahrnehmung“, Communications Biology. https://doi.org/10.1038/s42003-022-03085-6
