Neue Entdeckung könnte Ernteerträge verbessern und den Welthunger bekämpfen. Die Ergebnisse könnten Bemühungen zur Verbesserung der Ernteerträge und zur Bekämpfung des weltweiten Hungers anregen.
Neue Arbeiten unter der Leitung von Kangmei Zhao und Sue Rhee von Carnegie enthüllen einen neuen Mechanismus, durch den Pflanzen in der Lage sind, schnell Abwehrmechanismen gegen bakterielle Infektionen zu aktivieren. Dieses Verständnis könnte zu Bemühungen anregen, die Ernteerträge zu verbessern und den weltweiten Hunger zu bekämpfen.
„Zu verstehen, wie Pflanzen auf stressige Umgebungen reagieren, ist entscheidend für die Entwicklung von Strategien zum Schutz wichtiger Nahrungs- und Biokraftstoffpflanzen vor einem sich ändernden Klima“, erklärte Rhee.
Veröffentlicht in eLife, neue Arbeiten von Zhao und Rhee, zusammen mit Benjamin Jin von Carnegie und Deze Kong und Christina Smolke von der Stanford University, untersuchten, wie die Produktion eines Pflanzenschutzmittels namens Camalexin auf genetischer Ebene aktiviert wird.
„Weil Pflanzen an einem festen Standort wachsen, können sie nicht vor Fressfeinden oder Krankheitserregern fliehen“, erklärt Zhao. „Stattdessen haben sie sich weiterentwickelt, um Verbindungen herzustellen, die ihnen unter anderem helfen, Eindringlinge abzuwehren.“
Camalexin wird wie andere Pflanzenmetaboliten von spezialisierten Arbeiterproteinen, sogenannten Enzymen, synthetisiert, die viele der funktionellen Aufgaben der Zelle erfüllen. Wenn die Pflanze unter Umweltstress steht, aktiviert sie die Gene, die für diese Enzyme kodieren. Die Forscher wollten herausfinden, wie eine Pflanzenzelle schnell die Produktionslinie hochfahren und zum richtigen Zeitpunkt auf äußere Bedingungen oder Bedrohungen reagieren kann.
Das genetische Material einer Zelle kodiert die Rezepte für die Herstellung dieser Camalexin-produzierenden Enzyme und aller Proteine, die die Zelle benötigen könnte, um ihre notwendigen Funktionen unter verschiedenen Bedingungen in jeder Phase ihres Lebens zu erfüllen. Das sind viele Informationen. Deshalb ist die Organisation des genetischen Codes in der Zelle so entscheidend.
„Stellen Sie sich vor, das Genom einer Zelle ist eine riesige Bibliothek und jedes Gen ist ein Buch und jedes Chromosom ist ein extrem großes Regal“, sagte Rhee. „Die Zelle verfügt über verschiedene Mechanismen, um das benötigte Gen in diesem riesigen Informationsangebot schnell zu finden, damit es transkribiert und übersetzt werden kann, um das codierte Protein herzustellen und auf Umweltbedingungen, einschließlich Bedrohungen und Stress, zu reagieren.“
Diese Strategien umfassen das Hinzufügen oder Entfernen von Markierungen oder Markierungen in der Verpackung aller Gene und des zugehörigen Materials – zusammenfassend als Chromatin bezeichnet –, die die Expression bestimmter Gene verstärken oder hemmen können. Manchmal sind sowohl aktivierende als auch unterdrückende Elemente gleichzeitig vorhanden, ein Phänomen, das als bivalentes Chromatin bezeichnet wird.
Zhao, Rhee und ihre Kollegen konnten die Existenz eines noch nie zuvor charakterisierten Typs von bivalentem Chromatin aufklären – sie nannten es Kairostat, aus dem Griechischen „kairos“, was im richtigen Moment bedeutet, und „stat“, was bedeutet Gerät, das den Biosyntheseweg für Camalexin inaktiv hält, bis ein Krankheitserregersignal vorliegt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass beide Elemente benötigt werden, um das richtige Timing der Reaktion der Pflanze auf externen Stress zu kontrollieren.
„Camalexin und andere Abwehrstoffe sind oft sehr teuer und für die Pflanzen giftig. Daher ist es für Pflanzen nachteilig, sie ständig zu produzieren“, sagte Zhao. „Pflanzenwissenschaftler wissen seit langem, dass diese Abwehrstoffe gerade rechtzeitig entstehen, wenn eine Pflanze von Schädlingen und Krankheitserregern befallen wird. Wir haben jetzt einen neuen Griff zu einem molekularen Mechanismus, der dieses präzise Timing der Camalexin-Produktion ermöglicht. Diese Erkenntnis könnte zu Strategien zur Bekämpfung des Klimawandels und des globalen Hungers oder sogar zur Synthese von pflanzlichen Arzneimitteln beitragen.“
Mit Blick auf die Zukunft möchte die Gruppe alle Proteine charakterisieren, die an der Etablierung und Entfernung epigenetischer Markierungen beteiligt sind, um mehr Kairostatika zu identifizieren und ihre Rolle bei Umweltreaktionen und anderen Pflanzenfunktionen besser zu verstehen.
Referenz: „Ein neuartiges bivalentes Chromatin assoziiert mit einer schnellen Induktion von Camalexin-Biosynthesegenen als Reaktion auf ein Pathogensignal in Arabidopsis“ von Kangmei Zhao, Deze Kong, Benjamin Jin, Christina D Smolke und Seung Yon Rhee, 15. September 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.69508
Diese Arbeit wurde teilweise von der Carnegie Institution for Science Endowment und Stipendien der National Science Foundation (IOS-1546838, IOS-1026003), dem US Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research, Genomic Science Program Grant . unterstützt nr. DE-SC0018277, DE-SC0008769 und DE-SC0020366 und den National Institutes of Health (1U01GM110699-01A1).
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