Überlebenswichtige Signale: So verarbeiten Pflanzen Informationen

Wie verarbeiten Pflanzen Informationen über ihre Umwelt?

Dieser Frage gingen Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) nach, die das Signalnetzwerk in Pflanzen kartiert haben.

Die Forscher entdeckten dabei Potential für neue Strategien, um beispielsweise Nutzpflanzen besser vor zunehmender Dürre schützen zu können.

Möglich wäre es eventuell, die Informationsverarbeitung von Nutzpflanzen gezielt so zu verändern, dass die Pflanzen weniger Dünger und Pestizide benötigen oder resistenter gegen Dürreperioden sind.

Informationsverarbeitung bei Pflanzen

Pflanzen verarbeiten kontinuierlich Informationen über die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen oder über mögliche Krankheitserreger, um Samen und Früchte für die Fortpflanzung zu produzieren.

Damit man Pflanzen nachhaltiger vor zunehmenden Dürreperioden schützen kann, 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. Diese steuern die Entwicklung der Pflanze, sind aber auch für Stressreaktionen, beispielsweise aufgrund von Dürre oder Schädlingsbefall verantwortlich.

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 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.

Die Wissenschaftler analysierten dafür ein selbst kartographiertes 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 eine 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.“

Originalpublikation:
Altmann & Altmann et al., 2020: Extensive signal integration by the phytohormone protein network. Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2460-0