Dieser molekulare Mechanismus ermöglicht es Pflanzen, „ihren Mund zu kontrollieren“

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Yin (Fakultät für Biowissenschaften, Sun Yat-sen-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Was wir seit unserer Kindheit aus Büchern gelernt haben, ist, dass Pflanzen Kohlendioxid (CO2) aufnehmen, Sauerstoff und Wasser freisetzen und organische Stoffe ansammeln können. Daher werden Pflanzen als „Produzenten“ bezeichnet. Da die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre weiter steigt, verstärkt sich der globale Treibhauseffekt weiter. Gibt es in diesem Fall eine Möglichkeit, die Pflanzen dazu zu bringen, härter zu arbeiten und CO2 in großen Mengen „aufzufressen“, wodurch sie organische Stoffe effizienter ansammeln? Die Antwort ist – ja!

Kürzlich entdeckten Wissenschaftler aus den USA, Estland und Finnland einen molekularen Mechanismus, der es Pflanzen ermöglicht, „ihren Mund zu kontrollieren“!

Bildquelle: Veer Gallery

Der Assimilationsprozess von CO2 kann nicht von diesem "Mund" getrennt werden.

Bei diesem Anblick sind manche Freunde möglicherweise verwirrt: Haben Pflanzen Münder?

Wir alle wissen, dass der CO2-Assimilationsprozess im Lebenssystem der Erde unverzichtbar ist. Mehr als 90 % der organischen Substanz im Trockengewicht der Pflanzen werden durch Kohlenstoffassimilation umgewandelt. Dieser „Mund“ ist für den Prozess erforderlich, bei dem Pflanzen CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen, es durch chemische Prozesse in ihren Zellen fixieren und es dann in organische Verbindungen wie Zucker, Aminosäuren und organische Säuren umwandeln.

Was genau ist dieser „Mund“? Tatsächlich handelt es sich um eine besondere Struktur – Stomata, die hauptsächlich auf der Oberfläche der Blätter verteilt sind.

Pflanzen können den Gasaustausch zwischen ihnen und der Atmosphäre regulieren, indem sie ihre Stomata öffnen und schließen, wenn sie die CO2-Konzentration in den Gasräumen zwischen den Blattzellen und die Veränderungen der Lichtintensität im Tages- und Nachtverlauf wahrnehmen. Erhöhte CO2-Konzentrationen in den Blättern führen zu einem schnellen Schließen der Stomata und hemmen so die Transpiration, was zu Wasserverlust führt. Umgekehrt besteht die Reaktion auf niedrige CO2-Konzentrationen darin, dass sich die Stomata öffnen.

Stomata von Pflanzen

Bildquelle: vom Autor bereitgestellt

Der kontinuierliche Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führt dazu, dass sich die Stomata der Pflanzen schließen. Wenn diese „Münder“ über einen längeren Zeitraum geschlossen sind, beeinträchtigen sie die Wassertranspiration, die Photosynthese und den Pflanzenwachstumsprozess der Pflanze erheblich.

Der Wirkmechanismus, mit dem Pflanzen Veränderungen der CO2-Konzentration in der Umgebung wahrnehmen und das Öffnen und Schließen der Stomata durch eine sensorähnliche Steuerung regulieren, war jedoch bisher nicht vollständig verstanden.

Erst kürzlich haben Wissenschaftler aus den USA, Estland und Finnland nach gemeinsamen Forschungen endlich einen CO2-Sensor in Pflanzenzellen gefunden. Dabei handelt es sich um einen molekularen Weg, den Pflanzen nutzen, um den Zufluss und Abfluss von CO2 zu regulieren, indem sie „ihren Mund kontrollieren“.

Neue Entdeckung! Können Pflanzen auch „ihren Mund kontrollieren“?

Der in dieser Studie entdeckte CO2-Sensor beinhaltet mehrere Proteinkinasen. Proteinkinasen sind Enzyme, die Proteinphosphorylierungsprozesse katalysieren. Diese Enzyme können die Konformation und Aktivität von Proteinen und Enzymen verändern.

Eine der Proteinkinasen wurde HT1 (High Leaf Temperature 1) genannt . Es handelt sich um ein Gen, das vor langer Zeit mithilfe von Infrarot-Wärmebildgebung bei einem aus Arabidopsis thaliana isolierten Mutanten entdeckt wurde. Arabidopsis thaliana mit HT1-Genmutation ist unempfindlich gegenüber CO2 und weist bei niedriger CO2-Konzentration eine höhere Blatttemperatur auf als normale Pflanzen. Dies deutet darauf hin, dass ihre Transpiration, die Wasser ableitet und die Blatttemperatur senkt, aus irgendeinem Grund gehemmt ist.

Wissenschaftler analysierten diese mutierten Arabidopsis-Pflanzen und fanden heraus , dass die Mutation des HT1-Gens dazu führte, dass die Stomata der Pflanze unabhängig von der CO2-Konzentration geschlossen blieben. Die Entdeckung der Proteinkinase HT1 weist darauf hin, dass die Proteinphosphorylierung bei der durch CO2 induzierten Stomatabewegung äußerst wichtig ist.

Einfluss der atmosphärischen CO2-Konzentration auf die Stomata

Bildquelle: Li Y, et al. JXB, 2014, 65(13):3657–3667.

Aus früheren Studien war den Wissenschaftlern bereits bekannt, dass zwei weitere Proteine ​​aus der CBC-Proteinkinase-Familie (CONVERGENCE OF BLUE LIGHT AND CO2), CBC1 und CBC2, ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der stomatären CO2-Reaktion spielen.

Unter blauem Licht und geringer CO2-Konzentration können CBC1 oder CBC2 die Stomataöffnung stimulieren und CBC1 oder CBC2 können mit HT1 interagieren und von diesem phosphoryliert werden. Daher wird angenommen, dass sowohl HT1 als auch CBC-Kinase negative Regulatoren des durch eine hohe CO2-Konzentration ausgelösten Stomata-Schließprozesses sind.

Im Gegensatz dazu sind zwei andere Proteinkinasen, MPK4 und MPK12 aus der MPK-Proteinfamilie (Mitogen-aktivierte Proteinkinase), in der Lage, die Stomataöffnung zu fördern. Doppelmutationen in den Genen MPK4 und MPK12 führen dazu, dass die Stomata der Pflanze offen bleiben und unempfindlich gegenüber hohen CO2-Konzentrationen sind. Dies deutet darauf hin, dass MPK4 und MPK12 positive Regulatoren mit überlappenden Funktionen in der frühen CO2-Signaltransduktion in stomatären Schließzellen sind.

Grünes Blatt

Bildquelle: Veer Gallery

Obwohl die Wissenschaftler zuvor ein gewisses Verständnis für die Rolle dieser Reihe von Proteinkinasen hatten, war der genaue CO2-Sensor nicht bekannt und auch der zugehörige Signalnetzwerkmechanismus war unklar.

Wenn Pflanzen ihren Mund kontrollieren wollen, müssen sie sich auf diesen Sensor verlassen.

Diese neueste Errungenschaft schlägt ein Modell der stomatären Regulierung der Signalübertragung im Zusammenhang mit CO2 vor.

Bei niedrigen CO2-Konzentrationen aktiviert die HT1-Proteinkinase die nachgeschaltete negative regulatorische Proteinkinase CBC1. Die Aktivierung von CBC1 hemmt den Mechanismus, der zum Schließen der Stomata führt, und zwingt die Schließzellen auf beiden Seiten des Stomas zum Anschwellen. Dadurch können die Stomata so lange wie möglich geöffnet bleiben und „ihre Münder öffnen“, um CO2 aufzunehmen und den Bedarf der Photosynthese zu decken.

Wenn Pflanzen erhöhte CO2-Werte wahrnehmen, wird der Proteinkomplex MPK4/MPK12 (MPK4/12) in diesen Regulierungsprozess einbezogen. Wenn Schließzellen hohen CO2-Konzentrationen ausgesetzt sind, löst dies die Bindung von MPK4/12 an HT1 aus. Die Interaktion nach der Bindung dieser Proteine ​​kann die HT1-Kinase-Aktivität hemmen, was zu einer Verringerung der CBC1-Kinase-Aktivität führt und außerdem die Induktion des Stomata-Schließens fördert, wodurch die Pflanze ihren „Mund“ schnell schließen kann.

Auf der Grundlage der experimentellen Phänomene sagte das Forschungsteam voraus, dass es eine unbekannte Proteinphosphatase (PPase) gibt, die die Wirkung von CBC1 hemmt und den Spaltöffnungsverschlussmechanismus bei hohem CO2-Gehalt aktiviert. Es ist wahrscheinlich, dass ein oder mehrere Mitglieder der CBC-Familie homologer Proteine ​​zusammen mit CBC1 und CBC2 überlappende Funktionen haben, die sich bei der Regulierung der Stomataöffnung als Reaktion auf niedrige CO2-Bedingungen teilweise gegenseitig ersetzen können.

Pflanzenstomaten-CO2-Sensor und sein Signalübertragungsmodus

Bildquelle: Takahashi Y, et al. Sci Adv, 2022, 8:eabq6161.

Der CO2-Reaktionsmechanismus der Stomata ist für das Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung. Dieser Prozess reguliert auch die Wassernutzungseffizienz der Pflanzen. Dieses Forschungsergebnis liefert neue Erkenntnisse zur Erklärung des komplexen Regulationsprozesses der Pflanzenatmung.

Stomata auf grünen Blättern

Bildquelle: Veer Gallery

Abschluss

Die Enthüllung des zentralen Signalmechanismus von CO2, der den Grad der Spaltöffnung reguliert, ermöglicht es, den komplexen Atmungsmechanismus von Pflanzen zu nutzen, um gezielt starke und ertragreiche Nutzpflanzen anzubauen.

In Zukunft könnten Wissenschaftler in der Lage sein, Nutzpflanzensorten zu züchten, die als Reaktion auf den kontinuierlichen Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre effizient organische Stoffe anreichern. So können die Pflanzen zum richtigen Zeitpunkt „ihren Mund öffnen“, um mehr CO2 aufzunehmen, und „ihren Mund schließen“, um die Transpiration zu verringern. Auf diese Weise wird das Ziel der genetischen Verbesserung erreicht, nämlich die Kohlenstoffaufnahme der Pflanzen zu steigern und die Wassernutzungseffizienz zu erhöhen. Warten wir es ab!

Herausgeber: Ying Yike

Quellen:

[1] Hashimoto M, et al. Nat Cell Biol, 2006, 8:391–397.

[2] Hiyama A, et al. Nat Commun, 2017, 8(1):1284.

[3] Li Y, et al. JXB, 2014, 65(13):3657–3667.

[4] Takahashi Y, et al. Sci Adv, 2022, 8:eabq6161.

[5] Tõldsepp K, et al. Plant J, 2018, 96(5):1018-1035.

[6] Zhang J, et al. Curr Biol, 2018, 28(23):R1356-R1363.