Pflanzenwachstum: Teamwork zweier Hormone nötig

Forschung

17.8.2015

Es gibt zwei wachstumsfördernde Stoffgruppen in Pflanzen, die unabhängig voneinander bei Kulturpflanzen eingesetzt werden: Die Phytohormone Gibberelline und die Brassinosteroide. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) entschlüsselt, dass die beiden im Duett agieren – ohne Brassinosteroide stellt eine Pflanze keine Gibberelline her.

Wuchsdefekte der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die durch fehlende Steroidhormonwirkung ausgelöst werden (linke Seite), konnten durch Wiederherstellen der Gibberellinproduktion behoben werden (rechte Seite). (Foto: Brigitte Poppenberger / TUM)

Für ihre aktuellen Untersuchungen hat eine Forschungsgruppe der Technischen Universität München, unterstützt durch Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München und der TU Braunschweig unter der Leitung von TUM-Professorin Brigitte Poppenberger die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) genutzt. Sie wollten die molekularen Mechanismen der Wirkweise der Brassinosteroide untersuchen. Obwohl klar beschrieben wurde, wie Brassinosteroide in Pflanzen entstehen und ihre Signale übermittelt werden, blieb bislang unklar, wie der Prozess der Wachstumsförderung in Gang kommt.

Was passiert, wenn das pflanzliche Steroid beschädigt ist?

Die Wissenschaftler verwendeten genetisch veränderte Pflanzen, die Defekte in der Wirkungsweise der Brassinosteroide aufwiesen. Sie stellten dabei fest, dass in diesen Pflanzen weniger Gibberelline produziert wurden. Dadurch war die Keimfähigkeit reduziert, das Wachstum gehemmt und die Blüte verzögert. „Die Brassinosteroide sind folglich für die Produktion von Gibberellinen notwendig, was von hoher Relevanz für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen ist“, sagt Poppenberger, Professorin für das Fachgebiet Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen. Die Wissenschaftler konnten belegen, dass für diesen Mechanismus sogenannte Transkriptionsfaktoren verantwortlich sind. Das sind Proteine, die Gene regulieren. Sie werden durch Brassinosteroide aktiviert und schieben dann die Gibberellinherstellung an. „Damit haben wir einen molekularen Mechanismus aufgeklärt, der in Pflanzen Zellstreckung und -teilung ermöglicht“, schlussfolgert die Leiterin der Forschungsgruppe.

Zwergwüchsige Sorten wie beispielsweise Balkonsorten von gängigen Gemüsearten wie Tomaten oder Gurken, aber auch Getreidesorten wurden gezielt auf Schäden im Brassinosteroid-Stoffwechsel selektiert, sagt Poppenberger. „Wir verstehen nun, dass durch diese Defekte eine eingeschränkte Wirkweise der Gibberelline hervorgerufen wird. Das führt etwa bei Gerste zu kürzeren Halmen mit besserer Standfestigkeit und höheren Erträgen“, erklärt Poppenberger.

Diese kleinwüchsigen Sorten werden Halbzwergsorten genannt. Bereits in den 50er- und 60er-Jahren wurden sie gezüchtet als die Ertragssteigerung oberstes Ziel war. Der Nobelpreisträger Norman Borlaug, auch bekannt als Vater der grünen Revolution, züchtete Weizen und Reis mit kürzeren Halmen. Gepaart mit intensivierter Kulturtechnik steigerten sich die Erträge um das Fünffache, was viele Hungersnöte in Mexiko, später auch China verhinderte.

Brassinosteroide – Schlüssel zum Pflanzenwachstum

Während Gibberelline im Gartenbau schon seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt werden, zum Beispiel um größere Früchte zu produzieren oder kernlose Früchte wie Trauben oder Mandarinen zu erhalten, sind Brassinosteroide bisher im Gartenbau kaum angewandt worden. Es wäre zu kostspielig. Nur in der Pflanzenzüchtung wurden die Brassinosteroiddefekte bereits genutzt wie bei Gerste beschrieben. „Diese Forschungsergebnisse sind daher ein wichtiger Schritt, um besser zu verstehen, wie pflanzliche Steroide wirken“, sagt Brigitte Poppenberger, „und ihr Potenzial für Züchtung und Produktion von Kulturpflanzen nutzbar zu machen.“

Publikation:

Unterholzner, S.J., Rozhon, W., Papacek, M., Ciomas, J., Lange, T., Kugler, K.G., Mayer, K.F., Sieberer, T. and Poppenberger, B. (2015). Brassinosteroids are master regulators of gibberellin biosynthesis in Arabidopsis.
DOI: 10.1105/tpc.15.00433