Pflanzenhormon Auxin betätigt einen genetischen Schalter

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Pflanzenhormon Auxin betätigt einen genetischen
Schalter
Bei der Entwicklung von Lebewesen taucht ein Muster immer wieder auf: Ein Signal
erscheint vorübergehend, doch die Prozesse, die es anstößt, müssen aufrechterhalten
werden – etwa, wenn das Schicksal von Zellen im Embryo festgelegt wird. Im
Pflanzenembryo, bei der Entwicklung der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer
Modellpflanze der Genetik, spielt das Pflanzenhormon Auxin als Signalstoff eine wichtige
Rolle. Forscher des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen und der
Universität Tübingen kannten bereits wichtige Komponenten in der Zelle, durch die Auxin
seinen Einfluss ausübt, und manche ihrer Wechselwirkungen. Nun haben sie einige dieser
Komponenten zu einem Regulationsnetzwerk zusammengesetzt: Danach kann Auxin bei
steigender Konzentration Gene für die normale Entwicklung des Embryos „anschalten“, die
ab einem bestimmten Punkt ihre erhöhte Aktivität auch bei sinkender Auxinkonzentration
nicht oder nur verzögert wieder einstellen. Ähnliche Schaltmechanismen sind auch aus dem
Tierreich bekannt.
Aus einem Pflanzenembryo soll ein Keimling werden und eine Pflanze mit all ihren Organen:
Wurzel, Stängel, Blättern und Blüten. Die Grundlagen für diese Entwicklung werden schon in
der frühen Embryonalentwicklung gelegt. Das Pflanzenhormon Auxin greift an verschiedenen
Stellen als Signalgeber ein. Es war bereits bekannt, dass es zum Beispiel den Abbau eines
Inhibitors, eines hemmend wirkenden Elements, fördert, das bestimmte Faktoren daran
hindern kann, ihre Zielgene zu aktivieren. In einer frühen Phase der Entwicklung steigt
zunächst die Auxinkonzentration in den oben gelegenen Zellen des Embryos, aus denen sich
später die oberirdischen Pflanzenteile bilden. Kurz darauf wird das Auxin in die unteren Zellen
transportiert. So kompliziert, so gut. Doch die genaue Rolle des Auxins bei der Musterbildung
im Embryo ist damit noch nicht klar.
Steffen Lau, Ive De Smet, Martina Kolb und Gerd Jürgens aus der Abteilung Zellbiologie sowie
Hans Meinhardt, alle vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und
teilweise auch an der Universität Tübingen tätig, konzentrierten sich bei der Untersuchung der
Auxinwirkung zunächst auf ein vereinfachtes System. Statt an Embryonen der
Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) führten sie ihre Experimente dabei mit
Ackerschmalwand-Protoplasten durch, lebenden Zellen ohne Zellwand, die eine weniger
komplexe Umgebung bieten. Die Versuchsbedingungen lassen sich bei Protoplasten gezielt
variieren, die Genaktivität relativ einfach messen. In diesem System testeten die
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Etwa zwei Tage alter Embryo der Pflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) © Steffen Lau/Max-Planck-Institut
für Entwicklungsbiologie
Wissenschaftler die Wirkungen eines genaktivierenden Faktors, der MONOPTEROS heißt, sowie
die seines Inhibitors mit dem Namen BODENLOS. Das Ergebnis dieser und weiterer
Experimente: Der Faktor MONOPTEROS fördert sowohl seine eigene Herstellung als auch die
seines Inhibitors BODENLOS. Sie bilden ein System zweier miteinander verknüpfter
Rückkoppelungsschleifen. Insgesamt werden sie von Auxin kontrolliert, das den Abbau des
Inhibitors begünstigt.
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Wirkung von Auxin in pflanzlichen Zellen im Hinblick auf die transkriptionellen Regulatoren „MONOPTEROS“ und
„BODENLOS“: Der Transkriptionsfaktor „MONOPTEROS“ (MP) kontrolliert seine eigene Herstellung und die seines
Inhibitors „BODENLOS“ (BDL), wobei das Pflanzenhormon Auxin dieses System dadurch moduliert, dass es den
Abbau des Inhibitors BODENLOS begünstigt. © Steffen Lau/Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
Aufbauend auf diesen Ergebnissen haben die Wissenschaftler außerdem
Computersimulationen durchgeführt, in denen sie das Regulationsnetzwerk nachgestellt
haben. „Alles deutet darauf hin, dass Auxin in dem System sozusagen einen Schalter betätigt“,
sagt Steffen Lau. Und das funktioniert so: Bei steigender Auxinkonzentration wird der Inhibitor
BODENLOS verstärkt abgebaut, der Faktor MONOPTEROS wird dadurch weniger stark
blockiert, und ab einer gewissen Auxinkonzentration wird das MONOPTEROS-BODENLOSSystem auf eine höhere Aktivitätsebene gehoben. „Solange in dem angeschalteten System
eine bestimmte Auxinkonzentration nicht unterschritten wird, fällt dieses nicht auf das
Ausgangsniveau zurück, selbst wenn das meiste Auxin abtransportiert wird“, erklärt der
Wissenschaftler.
Dieser Regelungsmechanismus sei bisher bei der Embryonalentwicklung der Pflanzen noch
nicht beschrieben worden, ähnele aber beispielsweise einem Signalweg bei embryonalen
Stammzellen der Wirbeltiere. „Ob sich dieser Regelungstyp an weiteren Stellen in der
Entwicklung der Ackerschmalwand findet, müsste noch untersucht werden“, sagt Steffen Lau.
Originalpublikation:
Steffen Lau, Ive De Smet, Martina Kolb, Hans Meinhardt, Gerd Jürgens: Auxin triggers a
genetic switch, Nature Cell Biology (10 April 2011), doi: 10.1038/ncb2212
Pressemitteilung
20.04.2011
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft 12.04.2011
Weitere Informationen
Prof. Dr. Gerd Jürgens
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
Tübingen
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