Pflanzen wachsen zum Licht. Ihre Wurzeln wachsen zum Erdmittelpunkt. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Prozesse in Pflanzen, zum Beispiel die Anlage von Blättern, Verzweigungen oder die Embryonalentwicklung. Diese hängen maßgeblich von einer Gruppe von Hormonen namens Auxin ab, die diese Prozesse steuern. Neben den natürlichen Auxinen gibt es zahlreiche synthetische Auxine die auch als Herbizide eingesetzt werden.
Welche Proteine regulieren die Entwicklung von Pflanzen?
„Es sind schon seit mehreren Jahrzehnten zahlreiche Transportproteine in Pflanzen bekannt, die Auxin über die Zellmembran transportieren können. Diese Proteine sind zentral für die Entwicklung von Pflanzen und für viele Wachstumsprozesse“, sagt PD Dr. Ulrich Hammes, der Leiter der Studie.
Eine Familie von Auxin Exportern, genannt „PIN“ Proteine, was sich vom englischen Wort für Nadel ableitet, ist bei diesen Prozessen zentral. „Die PIN Proteine sind auch interessante Kandidaten für Herbizidtargets, wie wir letztes Jahr zeigen konnten“, sagt Dorina Janacek, Co-Autorin der Studie, die mit ihren Experimenten einen wichtigen Baustein der Studie lieferte.
Internationale Zusammenarbeit als Schlüssel
Wie der Transportmechanismus funktioniert, erklärt die Gruppe nun in einer Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Bjørn Pedersen von der dänischen Universität Aarhus in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature. „Diese Kollaboration zwischen unseren Gruppen war der Schlüssel“, führt Hammes aus. Prof. Pedersens Gruppe war in der Lage, die Proteine aufzureinigen und ihre Struktur aufzuklären.
„Wir konnten das gereinigte Protein nehmen und in künstliche Membranen einbauen und dann Funktionsstudien mit einer bislang unmöglichen Präzision durchführen“, erklärt Lukas Schulz, ein Student des Studiengangs „Molekulare Biotechnologie“, der im Rahmen seiner Masterarbeit maßgeblich zur Aufklärung des Funktionsmechanismus beigetragen hat. Bei der Aufklärung der Struktur des Proteins und seines Mechanismus war ein Herbizid namens Naptalam wichtig.
„Es war sehr interessant und schön zu sehen, dass das Molekül, dessen Funktion wir vor zwei Jahren postuliert haben, genau das tut was wir dachten. Allerdings verstehen wir erst jetzt exakt, warum das so ist“, sagt Martina Kolb, die diese Ergebnisse im Rahmen ihrer Doktorarbeit vor zwei Jahren publiziert hat.
Wachstums- und Entwicklungsvorgänge von Pflanzen werden immer klarer
Da sehr viele Prozesse in Pflanzen durch polaren Auxintransport gesteuert werden, erhoffen sich die Forschenden von diesen Arbeiten tiefere Einblicke in die exakten Abläufe von Wachstums- und Entwicklungsvorgängen. Ein weiters Ziel mit einer konkreten Anwendung ist das durch die Struktur informierte Design von umweltverträglichen Herbiziden.
Publikation:
Ung, K.L., Winkler, M., Schulz, L. et al. Structures and mechanism of the plant PIN-FORMED auxin transporter. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04883-y
Redaktion:
Dr. Katharina Baumeister
TUM Corporate Communication Center
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Wissenschaftlicher Kontakt:
PD Dr. Ulrich Hammes
Technische Universität München
TUM School of Life Sciences
Lehrstuhl für Systembiologie der Pflanzen
ulrich.hammes(at)tum.de