Strigolactone und das sekundäre Dickenwachstum der Pflanzen

Zusätzlich zum Längenwachstum der Wachstumsachsen von Pflanzen, ist ihr sekundäres Dickenwachstum entscheidend für die Ausbildung von ausgedehnten Spross- und Wurzelsystemen. Sekundäres Dickenwachstum basiert auf der Aktivität des Kambiums, eines zweidimensionalen meristematischen Gewebes, welches in Form eines Zylinders das Innere von Sprossen und Wurzeln umgibt. Das Kambium bildet nahezu ausschließlich vaskuläres Gewebe, eine Eigenschaft, die entscheidend für die Steigerung von Stabilität und Transportkapazitäten entlang der Wachstumsachsen ist. Obwohl es eine wesentliche Bedeutung für zahlreiche, auch für uns unentbehrliche, Aspekte des Pflanzenwachstums hat, ist unser Verständnis der molekularen Kontrolle des sekundären Dickenwachstums überraschenderweise sehr eingeschränkt. In unserer Arbeitsgruppe wurden nun Strigolactone (SLs), eine Gruppe von Pflanzenhormonen, deren Rolle in der Regulation von Verzweigung erst kürzlich beschrieben wurde, als Regulatoren des sekundären Dickenwachstums in Arabidopsis thaliana identifiziert. Verzweigung und sekundäres Dickenwachstum werden zum Teil von Umwelteinflüssen reguliert und eine natürliche Variation dieser Merkmale innerhalb von verschiedenen Arten ist bekannt. Aufgrund unserer Beobachtungen, stellen wir nun die Hypothese auf, dass sich Pflanzen unter Verwendung des SL-Signalwegs an verschiedene Umweltbedingungen anpassen und dass Änderungen im SL-Signalweg zu Änderungen von Wachstumsformen während der Evolution beigetragen haben. In dieser Studie planen wir, diese Hypothese durch die Charakterisierung der Rolle der SLs in der Regulation des sekundären Dickenwachstums auf molekularer Ebene zu testen. In enger Zusammenarbeit mit auf diesem Gebiet führenden Arbeitsgruppen, werden wir die natürliche Variation zwischen verschiedenen Arabidopsis Ökotypen ausnutzen um neue Faktoren zu identifizieren, die an der Regulation des sekundären Dickenwachstums beteiligt sind und der Frage nach einer SL-abhängigen Anpassung von Pflanzen nachgehen. Aufgrund des erwarteten Zugewinns für unser Verständnis des sekundären Dickenwachstums und der Regulierung von Zellidentität und Pflanzenentwicklung, weist der hier durchgeführte Ansatz eine hohe wissenschaftliche Relevanz auf. Darüber hinaus ist er aufschlussreich im Hinblick auf eine mögliche Steigerung der Sprossstabilität, Holzproduktion und der pflanzlichen Biomasseakkumulierung.

Die Kommunikation von Zelle zu Zelle, auch über weite Distanzen, ist entscheidend für die Entwicklung mehrzelliger Organismen. Pflanzen sind in dieser Hinsicht besonders anspruchsvoll, da sie kontinuierlich ihre Wachstumsprozesse an sich verändernde Umweltbedingungen anpassen. Ein Beispiel dafür ist das Dickenwachstum von Sprossen und Wurzeln, welches auch als sekundäres Dickenwachstum bezeichnet wird. Sekundäres Dickenwachstum basiert auf dem Kambium, einem Gewebe mit Stammzellcharakter dessen Aktivität über weite Distanzen durch das Pflanzenhormon Auxin reguliert wird. Wie das Auxinsignal jedoch von Kambiumzellen verarbeitet wird, war lange Zeit unklar. Innerhalb dieses Projektes wurde gezeigt, dass bei der Verarbeitung des Auxinsignals eine Gruppe von weiteren Hormonen entscheidend ist, die Strigolactone (SLs). Damit konnte den Strigolactonen, neben der Kontrolle der Verzweigung und anderen Wachstumsprozessen, eine weitere wichtige Rolle in der Regulation von Pflanzenarchitektur zugesprochen werden. Insbesondere wurde mit Hilfe der Modellpflanze Arabidopsis thaliana gezeigt, dass SL Signaltransduktion direkt in Kambiumzellen für eine Stimulierung der Kambiumaktivität ausreicht. Genetische und pharmakologische Untersuchungen legten darüber hinaus den Schluss nahe, dass Auxin die Herstellung von SLs in Kambiumzellen und damit SL-abhängige Prozesse anregt. Dabei ist wichtig, dass mit dem SMXL5 Gen, einem Mitglied einer Gruppe von Inhibitoren der SL-Signaltransduktion, ein Faktor identifiziert wurde, der speziell in Kambiumzellen aktiv ist. Die Reduzierung der Aktivität von SMXL5 und SMXL4, einem zu SMXL5 sehr ähnlichen Gen, führte tatsächlich zu einem starken Anstieg der Kambiumaktivität. Außerdem führte dies zu einer Reduzierung von Wurzelwachstum bei gleichzeitig vermehrter Bildung von Seitenwurzeln. Da alle diese Prozesse von SLs reguliert werden, bestätigen diese Beobachtungen eine gemeinsame Rolle von SMXL5 und SMXL4 als Repressoren der SL Signaltransduktion. Aufgrund unserer Befunde, schlagen wir eine wichtige Rolle von SLs als Wachstumsmodulatoren vor, mit deren Hilfe Pflanzen je nach Umweltbedingungen, aber auch Im Laufe der Evolution, zwischen zwei Formen wechseln können: einer buschigen Form mit einem schwachen Hauptstamm und einer Form bei der der Hauptstamm dominiert und auch ein starkes sekundäres Dickenwachstum aufweist. Mit Hilfe der SLs können Pflanzen demnach verschiedene Wachstumsprozesse, wie das Auswachsen von Seitentrieben und das sekundäre Dickenwachstum, über weite Distanzen miteinander koordinieren.