Forscher entdecken Schlüssel zum molekularen Rätsel, wie Pflanzen auf sich ändernde Bedingungen reagieren

6. Februar 2024

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von Daegan Miller, Universität Massachusetts Amherst

Ein Team von Forschern der Universität Massachusetts Amherst hat kürzlich eine wegweisende Studie veröffentlicht, die eine zentrale Frage der Biologie beantwortet: Wie mobilisieren Organismen eine breite Palette zellulärer Prozesse, um auf eine Veränderung zu reagieren - entweder intern oder in der externen Umgebung - um gute Zeiten zu überstehen oder schlechte Zeiten zu überleben?

Die Forschung, die sich auf Pflanzen konzentriert und in der Zeitschrift Cell veröffentlicht wurde, identifiziert die Wechselwirkungen zwischen vier Verbindungen: Pektin, Rezeptorproteinen FERONIA und LLG1 und dem Signalpeptid RALF. Insbesondere hat das Team entdeckt, dass ein molekularer Kondensationsprozess, namens Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, der zwischen Pektin und RALF an der Grenzfläche zwischen Zellwand und Zellmembran stattfindet, darüber bestimmt, wie ein Reiz viele zelluläre Prozesse auslöst. Gemeinsam erzeugen diese Prozesse eine für die Pflanze vorteilhafte Reaktion.

"Biologen arbeiten oft linear: Wir beobachten, wie ein Reiz eintrifft, und dann überwachen wir eine spezifische Reaktion entlang eines bestimmten zellulären Signalwegs, von dem wir glauben, dass er hinter dieser Reaktion steckt. Aber in Wirklichkeit pflegen Zellen eine Vielzahl von Wegen, die sorgfältig gepflegt werden müssen und die ständig koordiniert werden müssen", sagt Alice Cheung, Universitätsprofessorin für Biochemie und Molekularbiologie an der UMass Amherst und leitende Autorin der Studie.

Cheung und ihr langjähriger Mitstreiter und Mitleitautor Hen-Ming Wu haben sich seit ihrer Entdeckung im Jahr 2010 und 2015, dass das FERIONIA-LLG1-Rezeptorpaar ein idealer Kandidat ist, um das schwierige Rätsel zu lüften, mit der Frage von Reiz und Reaktion auseinandergesetzt. FERONIA-LLG1 beeinflusst nahezu alle Aspekte des Pflanzenlebens - vom Wachstum einer gerade gekeimten Keimling bis zur Entwicklung und Fortpflanzung der nächsten Generation sowie dem Bewältigen verschiedener Herausforderungen dazwischen wie Krankheiten und klimatische Extremereignisse.

"Es hat viele Jahre gedauert, von zwei sehr engagierten jungen Kollegen, dem Post-Doktoranden James Ming-Che Liu und der Doktorandin Jessica Fang-Ling Yeh, den beiden Erstautoren des Papers, und einem kürzlich graduierten Doktoranden der Molekular- und Zellbiologie, Robert Yvon", sagt Cheung. "Gemeinsam haben sie eine Reihe von Studien durchgeführt, die sich von verschiedenen, aber bewusst gestalteten Blickwinkeln aus beschäftigt haben, um eine zusammenhängende Geschichte zu liefern, die sonst unmöglich zu erzählen gewesen wäre."

Die Untersuchung begann mit einer Untersuchung, wie das Signal (oder Ligand) RALF FERONIA-LLG1 in der Zellmembran beeinflusst. Das Team beobachtete einige verwirrende Ergebnisse: Die Zelle nahm FERONIA-LLG1 nicht einfach in die Zelle auf, einen Prozess, der als Endozytose und typische Reaktion bekannt ist. Jedes untersuchte Zellmembranmolekül wurde beeinflusst. Darüber hinaus blieb anders als bei typischer Ligand-Rezeptor-Interaktion der Ligand RALF außerhalb der Zelle in einer pektinreichen extrazellulären Matrix namens Zellwand.

Das Team untersuchte dann die biochemischen und biophysikalischen Wechselwirkungen zwischen den vier Molekülen, wie diese Wechselwirkungen das Verhalten dieser Moleküle auf zellulärer Ebene beeinflussen und wie sie pflanzliche physiologische Ergebnisse bei zwei häufig auftretenden Umweltstressfaktoren - erhöhter Temperatur und Salzgehalt - beeinflussen.

Die Ergebnisse bieten erstmals einen Mechanismus, der erklärt, wie Pflanzenzellen viele verschiedene Reaktionen auf ein einzelnes Stresssignal koordinieren können, um widerstandsfähiger zu werden und zu überleben. Die Arbeit zeigt auch zum ersten Mal, wie die Phasentrennung an der Grenzfläche zwischen Zellwand und Zellmembran, der Front, an der eine Pflanzenzelle äußere Reize erkennt und darauf reagiert, eine kollektive zelluläre Reaktion wesentlich beeinflussen kann.

Cheung fügt hinzu, dass "diese Arbeit ohne die Kernanlagen im Institut für Angewandte Lebenswissenschaften und den Beitrag von James Chambers, Leiter des Core für Lichtmikroskopie und Mitautor der Studie, nicht hätte durchgeführt werden können."

Universität Massachusetts Amherst