Forscher des Instituts für Transformative Biomoleküle (WPI-ITbM) der Universität Nagoya haben gemeinsam mit Kollegen des RIKEN-Zentrums für Nachhaltige Ressourcenwissenschaft (RIKEN CSRS) und der Universität Osaka einen bisher unbekannten Mechanismus entdeckt, mit dem Pflanzen Wasserstoffperoxid (H?O?) erkennen, ein wichtiges Signalmolekül, das an Stressreaktionen und der Immunität beteiligt ist. Die in
Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, dass Pflanzen zur Wahrnehmung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) ein kupferabhängiges Sensorsystem nutzen, anstatt des bisher angenommenen cysteinbasierten Mechanismus.
Diese Arbeit verändert unser Verständnis der Pflanzenreaktionen auf Umweltstress und Krankheitserreger und kann den Weg für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen ebnen. Chinone und Wasserstoffperoxid spielen eine zentrale Rolle bei den Reaktionen von Pflanzen auf Krankheitserreger und Umweltstress. Das Verständnis, wie Pflanzen diese Moleküle wahrnehmen, könnte Strategien zur Verbesserung des Pflanzenschutzes und der Stresstoleranz ermöglichen.
Wie Pflanzen redoxbezogene Moleküle in ihrer Umgebung erkennen
Als sessile Organismen überwachen Pflanzen ständig ihre Umwelt mithilfe spezialisierter Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche. Eine Klasse dieser Rezeptoren, die sogenannten Leucin-reichen Repeat-Rezeptor-ähnlichen Kinasen, kann ein breites Spektrum an Reizen wahrnehmen. Ein solcher Rezeptor, CARD1 (auch HPCA1 genannt), detektiert nachweislich sowohl Chinone als auch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie H?O?. Wie ein einzelner Rezeptor diese chemisch unterschiedlichen Signale unterscheidet, war jedoch bisher unklar.
Das Forschungsteam entdeckte, dass CARD1 ein Kupferion enthält, das an eine Gruppe von Histidinresten auf seiner Oberfläche gebunden ist. Diese Kupferbindungsstelle spielt eine entscheidende Rolle beim Nachweis von H?O?.
Überraschenderweise sind Cysteinreste – die man bisher für die H?O?-Wahrnehmung als essenziell ansah – für die Signalerkennung nicht erforderlich. Stattdessen nutzt der CARD1-Rezeptor Kupfer , um H?O? über Redoxreaktionen nachzuweisen.
„Die Ergebnisse zeigten, dass Pflanzen ihre Fähigkeit verlieren, auf H?O?-Signale zu reagieren, wenn die Kupferbindungsstelle gestört ist“, sagte Anuphon Laohavisit, Erstautor und designierter außerordentlicher Professor am WPI-ITbM. „Mutationen in Cysteinresten hatten hingegen nur geringe Auswirkungen auf die Signalübertragung, was darauf hindeutet, dass deren primäre Rolle eher struktureller als signaltechnischer Natur ist.“
Mithilfe computergestützter Methoden legt das Team nahe, dass die ROS-Erkennung durch CARD1 über die Oxidation von Kupfer (Cu? zu Cu²?) an der Rezeptoroberfläche erfolgen könnte. Eine solche Redoxreaktion kann entweder direkt Signalwege auslösen oder sekundäre Moleküle erzeugen, die nachgeschaltete Reaktionen aktivieren. Wahrscheinlich existiert ein separater Signalweg für die Chinon-Wahrnehmung, der noch identifiziert werden muss.
Fazit und Zukunftsperspektive
Die Forscher liefern den ersten strukturellen Beweis für einen auf Metallionen basierenden Sensormechanismus in pflanzlichen Plasmamembranrezeptoren. Dies verändert unser Verständnis der ROS-Wahrnehmung in Pflanzen und ebnet den Weg für die Erforschung metallbasierter ROS-Signalmechanismen in der gesamten Biologie.
DOI
Credits
Issey Takahashi
