Vom Blatt bis in die Wurzel: Boten-RNAs legen weite Strecken zurück

23. März 2015

Mit Hilfe bioinformatischer Datenanalysen entdeckt ein internationales Team von Wissenschaftlern tausende mobile
Boten-RNAs (mRNAs).

Pflanzen nehmen Wasser und Salze aus dem Boden auf und produzieren mit Hilfe der Photosynthese energiereiche Zucker. Diese verschiedenen Nährstoffe müssen anschließend dorthin transportiert werden, wo sie benötigt werden. Diese Aufgabe übernehmen die Leitbündel. Sie bestehen aus einem Holzteil, dem sogenannten Xylem und aus einem Siebteil, dem Phloem. Wasser und die darin gelösten Salze werden durch das Xylem von der Wurzel in den Spross und die Blätter transportiert. Das Phloem dient dem Transport von Zuckern und anderen organischen Verbindungen. Diese werden von Blättern in die Wurzeln und in die Blüten und Früchte transportiert um deren Wachstum zu ermöglichen. Neben kleinen organischen Verbindungen werden auch Proteine und sogenannte siRNAs (small interfering RNAs) im Phloem transportiert. „Das sind kleine RNA-Moleküle, die an der Genregulation beteiligt sind. Dazu werden sie teilweise über weite Strecken transportiert, zum Beispiel vom Blatt in die Blüte wo sie die Pollenproduktion regulieren können“, erklärt Friedrich Kragler vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam. Außerdem gab es bereits Hinweise, dass auch größere RNA-Moleküle, wie zum Beispiel Boten-RNAs im Phloem transportiert werden. Diese Boten-RNAs oder auch mRNAs (messenger RNAs) sind an der Übersetzung der genetischen Information in Proteine beteiligt.

Für die Analyse mobiler mRNAs wurden die Arabidopsis-Ökotypen Columbia und Pedriza in verschiedenen Kombinationen gepfropft. Die weißen Pfeile markieren die Pfropfstellen.

„Von den im Phloem gefundenen mRNAs wurden aber bisher nur wenige genauer untersucht. Außerdem war nicht bekannt, in welchem Ausmaß mRNAs zwischen verschiedenen Organen der Pflanze transportiert werden“, sagt Friedrich Kragler. Aus diesem Grund untersuchte das internationale Forscherteam die Mobilität von mRNAs in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand). Zuerst mussten sie eine Methode entwickeln, die es ihnen ermöglichte bewegliche und unbewegliche mRNA-Moleküle zu unterscheiden. Dazu sollte der Spross einer Pflanze auf den Wurzelhals einer zweiten Pflanze gepfropft werden. So wollten sie untersuchen, ob mRNA Moleküle von der Wurzel in den Spross gelangen und umgekehrt. „Die Grundlage dieses Experiments war die genetische Vielfalt der verschiedenen Arabidopsis-Ökotypen“, erklärt Wolf-Rüdiger Scheible von der Samuel Roberts Noble Foundation in Ardmore (USA). Als Ökotypen bezeichnet man verschiedene Populationen einer Art, die an unterschiedliche Standorte angepasst sind. Diese Anpassung spiegelt sich auch im Erbgut der Pflanzen wieder. Für ihre Experimente nutzen die Forscher zwei der über 750 Arabidopsis-Ökotypen: Columbia (Col-0) aus dem Mittleren Westen der USA und Pedriza (Ped-0) aus Spanien. Der genetische Unterschied dieser Pflanzen ist groß genug, um mRNA-Moleküle dem entsprechenden Ökotyp zuzuordnen.


Für die Analyse der mRNA-Mobilität wurden Keimlinge in verschiedenen Kombinationen gepfropft. Zwei Wochen später isolierten die Wissenschaftler DNA und RNA aus Blättern und Wurzeln dieser Pflanzen und sequenzierten sie. „Bei der bioinformatischen Analyse der Sequenzdaten konnten wir 2006 Gene identifizieren, die mobile mRNAs produzieren“, erklärt Friedrich Kragler. „Obwohl die Zahl vermutlich noch höher ist, denn mit unserem Ansatz konnten wir nicht alle mRNAs der beiden Ökotypen erfassen“, fügt Wolf-Rüdiger Scheible hinzu. Ungefähr die Hälfte der identifizierten mobilen mRNAs wird im Phloem, das heißt zusammen mit Zuckern transportiert. Die andere Hälfte unterteilt sich in Moleküle, die von der Wurzel in den Spross wandern (25%) und solche, die in beide Richtungen transportiert werden können (24%).
Die Wissenschaftler vermuten, dass Pflanzen mobile mRNAs als Signalmoleküle nutzen, mit denen sie Wachstumsprozesse sowie Reaktionen auf Umweltreize über weite Strecken koordinieren.


Auch im Wein- und Obstanbau wird das Pfropfen seit mehr als 1000 Jahren als Technik benutzt um Eigenschaften zweier Pflanzen miteinander zu kombinieren. Welche genetischen Faktoren dabei über Erfolg oder Misserfolg entscheiden, ist jedoch häufig unklar. Dabei könnten mobile mRNAs, die zwischen den Wurzeln, Blättern und Früchten ausgetauscht werden, eine wichtige Rolle spielen.

KD

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