PILS abhängige Etablierung der Wurzelarchitektur in Arabidopsis thaliana
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Pflanzen benötigen ein verzweigtes Wurzelsystem, um Wasser und Nährstoffe effizient aufzunehmen. Die Bildung von Lateralwurzeln (Seitenwurzeln) spielt dabei eine zentrale Rolle, insbesondere wenn es um die Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen geht. In diesem Projekt haben wir uns auf das Pflanzenhormon Auxin konzentriert, das als wichtiger Regulator fungiert und zahlreiche Entwicklungsprozesse wie Wachstum und Organbildung steuert. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die sogenannte „root clock“ bestimmte Vorläuferstellen für Lateralwurzeln (Pre-Branch Sites, PBS) entlang der Primärwurzel festlegt. Welche Bedeutung diese PBS für die Gesamtarchitektur des Wurzelsystems haben, war jedoch bislang nur unvollständig verstanden. Unsere Untersuchungen an der Modelpflanze Arabidopsis thaliana zeigen nun, dass zwei unterschiedliche Oszillationsprozesse des Auxins sowohl die räumliche Entstehung als auch die zeitliche Aktivierung der PBS bestimmen und gemeinsam die Dichte der Seitenwurzeln regulieren. Durch Langzeitbeobachtungen der Auxin-Signalgebung über mehrere Tage hinweg konnten wir eine systemische Auxin-Oszillation in Primärwurzeln nachweisen, die sich deutlich von der fokalen, wurzelspitzenassoziierten „root clock“ unterscheidet. Während letztere PBS räumlich entlang der wachsenden Wurzelspitze positioniert, legt die systemische Auxin-Oszillation zeitlich fest, ob diese Stellen ihre auxinabhängige Identität ausprägen und sich zu Lateralwurzeln entwickeln. Darüber hinaus beeinflusst die Lichtwahrnehmung im Spross die Amplitude des systemischen Auxin-Signals in der Wurzel und damit, ob PBS tatsächlich zu Lateralwurzeln ausreifen. Die Photorezeptoren PHYB und CRY1 tragen zur Integration weiterer Umweltfaktoren wie Temperatur in dieses lichtgesteuerte Netzwerk bei und regulieren so die systemische Auxin-Signalgebung sowie die Seitenwurzelbildung. Unsere Ergebnisse verdeutlichen, wie zwei räumlich getrennte auxinvermittelte Oszillationsmechanismen den Pflanzen ermöglichen, ihre Wurzelentwicklung unter variablen Umweltbedingungen präzise anzupassen. Diese Erkenntnisse liefern ein mechanistisches Verständnis darüber, wie Pflanzen äußere Signale über Hormone in ihr Wachstumsverhalten integrieren, um ihre Wurzelarchitektur zu optimieren. Dies ist von hoher Relevanz für die Pflanzenwissenschaften, da robuste Kulturpflanzen, die mit schwankenden Temperaturen und Lichtverhältnissen besser zurechtkommen, zunehmend an Bedeutung gewinnen. Zudem eröffnet das Verständnis dieser molekularen Prozesse neue Ansätze, um möglicherweise damit eine verbesserte Ertrags- und Stresstoleranz in der Landwirtschaft zu erreichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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PILS proteins provide a homeostatic feedback on auxin signaling output. Development, 149(13).
Feraru, Elena; Feraru, Mugurel I.; Moulinier-Anzola, Jeanette; Schwihla, Maximilian; Ferreira, Da Silva Santos Jonathan; Sun, Lin; Waidmann, Sascha; Korbei, Barbara & Kleine-Vehn, Jürgen
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Auxin transport at the endoplasmic reticulum: roles and structural similarity of PIN-FORMED and PIN-LIKES. Journal of Experimental Botany, 74(22), 6893-6903.
Ung, Kien Lam; Schulz, Lukas; Kleine-Vehn, Jürgen; Pedersen, Bjørn Panyella & Hammes, Ulrich Z.
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Endoplasmic reticulum stress controls PIN-LIKES abundance and thereby growth adaptation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(31).
Waidmann, Sascha; Béziat, Chloé; Ferreira, Da Silva Santos Jonathan; Feraru, Elena; Feraru, Mugurel I.; Sun, Lin; Noura, Seinab; Boutté, Yohann & Kleine-Vehn, Jürgen
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Gravitropism: The LAZY way of intracellular hitchhiking. Current Biology, 33(23), R1224-R1226.
Farkas, Sophie & Kleine-Vehn, Jürgen
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Two distinct oscillatory auxin signals define the plasticity of lateral rooting in Arabidopsis thaliana. openRxiv.
Ren, Chengzhi; Bodendorf, Jule; Moreno-Risueno, Miguel A. & Kleine-Vehn, Jürgen
