In einer Zeit, in der der Klimawandel die Ernährungssicherheit bedroht, suchen Wissenschaftler weltweit nach zuverlässigen Wegen, um die Pflanzenproduktion zu verbessern. Extremes Wetter und sich verändernde saisonale Muster können traditionelle landwirtschaftliche Kreisläufe stören, so dass Technologien, die den Zeitpunkt des Pflanzenwachstums regulieren, für Landwirte weltweit von unschätzbarem Wert sind.
Das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen hängen von vielen Faktoren ab, wie z. B. der Umwelt, der Photoperiode und der Genetik. Die Blüte ist ein wichtiges Ereignis im Lebenszyklus einer Pflanze, und bei vielen Arten ist vor der Blüte im Frühjahr eine Periode der Kälteeinwirkung (oder Vernalisation) erforderlich. Sobald die Blüte beginnt, leiten die Pflanzen Nährstoffe von ihren Blättern in die Samenproduktion um, wodurch sich der Nährwert der Blattpflanzen verringert. Während WissenschaftlerInnen viele Aspekte dieses Prozesses verstehen, sind Mechanismen, die diese Phase der Vorbereitung auf die Blüte auf natürliche Weise unterbrechen oder umkehren können (Devernalisierung), weitgehend unerforscht.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Makoto Shirakawa vom Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan, die molekularen Grundlagen der Devernalisierung untersucht. Sie identifizierten eine neue Klasse von kleinen Molekülen, die als Devernalizer (DVRs) bezeichnet werden und in der Lage sind, eine Devernalisation ohne Wärmebehandlung im Modellorganismus Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zu induzieren.
Die Forscher untersuchten über 16.000 chemische Verbindungen und entdeckten fünf DVRs, die die Expression des Flowering Locus C-Gens, eines wichtigen Suppressors der Blüte, reaktivierten. Durch die Minimierung spezifischer dynamischer Modifikationen an den Genen der Pflanze könnten diese DVRs die Blüte auch nach induzierter Vernalisation verzögern. Bemerkenswert ist, dass drei dieser DVRs zwei entscheidende strukturelle Merkmale aufwiesen – eine Hydantoin-ähnliche Region und einen Spiro-ähnlichen Kohlenstoff –, die sich als wesentlich für den devernalisierenden Effekt herausstellten.
Darüber hinaus identifizierte das Team eine sechste DVR-Verbindung mit dem Namen DVR06, die strukturell einfacher war, aber die oben genannten Schlüsselmerkmale beibehielt. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass Pflanzen, die mit DVR06 behandelt wurden, eine verzögerte Blüte ohne nachteilige Nebenwirkungen aufwiesen. Eine genomweite Analyse ergab, dass DVR06 im Vergleich zur hitzeinduzierten Devernalisation einen spezifischeren Satz von Genen beeinflusst, was sein Potenzial für die Regulierung der Blüte unterstreicht. „Es war allgemein bekannt, dass die Wärmebehandlung von Anlagen auf dem Feld sowohl arbeitsintensiv als auch kostspielig ist. Daher war ich sehr aufgeregt, als wir herausfanden, dass der DVR06 eine spezifischere Wirkung hat als die Wärmebehandlung. Das war der Moment, in dem sich all die Zeit, die wir für die Vorführung aufgewendet hatten, endlich ausgezahlt hat!“ teilt Shirakawa mit.
Die Entdeckung von DVR06 und seinen Mechanismen könnte den Weg für neue landwirtschaftliche Technologien ebnen, die es Landwirten ermöglichen, die Blütezeiten effektiv zu regulieren. Durch die Verzögerung der Blüte können Blattpflanzen ihre Nährwertqualität über längere Zeiträume beibehalten, was die Erträge steigert und die Verschwendung reduziert. Das Forschungsteam zielt darauf ab, die Wirksamkeit von DVRs zu verbessern, wie Ito anmerkt: „Wir werden weitere Forschungen durchführen, um die Struktur von DVRs zu verändern und Verbindungen mit höherer Aktivität und Spezifität zu entwickeln. Wir erwarten, dass die Ergebnisse dieser Studien zur Entwicklung neuer Technologien für eine stabile Lebensmittelproduktion in einem schwankenden globalen Umfeld führen werden.“
Hintergrundwissen
Hydantoin, auch bekannt als Imidazolidin-2,4-dion, ist eine heterocyclische organische Verbindung, die relativ selten in der Natur vorkommt. Eine bekannte natürliche Verbindung mit einem Hydantoin-Ring ist Allantoin (5-Ureidohydantoin), ein Stoffwechselprodukt des Purinabbaus, das in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen vorkommt. In Pflanzen findet sich Allantoin insbesondere in Schwarzwurzeln, Rüben, Ahornbäumen, Weizenkeimen sowie in der Rinde von Rosskastanien und den Wurzeln des Beinwells.
Ein spiro-ähnlicher Kohlenstoff ist ein Kohlenstoffatom, das zwei Molekülringe miteinander verbindet und somit als Spiroatom bezeichnet wird. Spiroverbindungen sind polycyclische organische Moleküle, deren Ringe über ein gemeinsames Atom – meist ein Kohlenstoffatom – verbunden sind. Das Spiroatom kann auch ein Heteroatom wie Stickstoff oder Silizium sein. Solche Verbindungen zeichnen sich durch ihre verdrehte Struktur aus und können sowohl carbocyclisch als auch heterocyclisch sein
Originalpublikation
Nana Otsuka, Ryoya Yamaguchi, Hikaru Sawa, Naoya Kadofusa, Nanako Kato, Yasuyuki Nomura, Nobutoshi Yamaguchi, Atsushi J. Nagano, Ayato Sato, Makoto Shirakawa und Toshiro Ito. „Kleine Moleküle und Wärmebehandlungen kehren die Vernalisation durch epigenetische Modifikation in Arabidopsis um“. Zeitschrift: Kommunikationsbiologie
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