Molekulare Mechanismen des polaren Wachstums von Pflanzen

Wie eine Pflanze ihr Wachstum reguliert

Aufgrund ihrer zentralen Rolle bei pflanzlichen Entwicklungsprozessen arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit daran, die Transporterproteine genauer zu untersuchen. Naptalam (NPA) ist ein wichtiges Hilfsmittel, um die Struktur der Transporter aufzuklären.

Naphthylphthalsäure hemmt den gerichteten Auxin-Fluss, wodurch das Pflanzenwachstum stark beeinträchtigt wird. In der Europäischen Union war die Chemikalie bis 2002 unter dem Namen Naptalam als Herbizid zugelassen. Das Natriumsalz von Naptalam wird in den USA als Vorauflauf-Herbizid zur Bekämpfung von Blattunkräutern bei Kürbisgewächsen und Baumschulbeständen bis heute verwendet.

„Wir wollten wissen, wie Naptalam seine Wirkung entfaltet“, sagt PD Dr. Ulrich Hammes, der Leiter der Studie. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Aktivität der Auxintransporter durch den Hemmstoff wirklich vollständig zum Erliegen kommt.“ Durch die Bindung von NPA an die Transportproteine kann kein Auxin mehr aus der Zelle gelangen und damit ist die Pflanze nicht mehr in der Lage, polar zu wachsen. Die Wurzeln wachsen dann nicht mehr zum Erdmittelpunkt und die Blüten- und Samenbildung wird massiv gestört.

Eine Wirkung des Hemmstoffes NPA auf die Aktivatoren der Transporter, so genannte Kinasen, konnte durch die Zusammenarbeit mit Claus Schwechheimer, Professor für Systembiologie der Pflanzen an der TUM, an dessen Lehrstuhl die Arbeiten durchgeführt wurden, ausgeschlossen werden. Er erklärt: „Damit ist klar, dass der Hemmstoff NPA direkt auf die Transportproteine wirkt.“

„Wir können jetzt den molekularen Mechanismus, mit dem polares Wachstum der Pflanzen pharmakologisch gestört werden kann, eindeutig erklären“, sagt Ulrich Hammes.

Die Arbeitsgruppen in Wien konnten zeigen, dass Naptalam die Transporter nicht nur bindet, sondern auch verhindert, dass die Transporter aneinander binden können. „Dieser Mechanismus des Aneinanderbindens scheint bei der Familie von Auxintransportern universell zu gelten, da wir den Effekt in allen untersuchten Transportern beobachten konnten“, sagt Martina Kolb, die Erstautorin der Studie.

Die Studie stellt insgesamt einen wesentlichen Fortschritt zum Verständnis des Mechanismus der molekularen Maschinerie der pflanzlichen Polarität dar. Durch die neuen Erkenntnisse ist es möglich, das polare Wachstum präziser zu untersuchen und den molekularen Mechanismus des Auxintransportes zu verstehen.

An der TUM School of Life Sciences in Weihenstephan arbeiten die Forschenden daher nun vertieft weiter an der Charakterisierung polarer Auxintransportprozesse. „Wir hoffen in der Lage zu sein, durch diesen Mechanismus die Wachstumsbewegungen der Pflanze besser verstehen zu können“, sagt PD Dr. Hammes.