Forscher des Fachbereichs Biochemie am Indian Institute of Sciences (IISc) haben einen lange gesuchten Mechanismus entdeckt, der von primitiven Landpflanzen wie Bryophyten (einschließlich Laubmoosen und Lebermoosen) genutzt wird, umPflanzenwachstum regulieren– ein Mechanismus, der auch bei jüngeren Blütenpflanzen erhalten geblieben ist.
Die in der Fachzeitschrift Nature Chemical Biology veröffentlichte Studie konzentriert sich auf die nicht-klassische Regulation des DELLA-Proteins, eines zentralen Wachstumsregulators, der die Zellteilung in embryonalen Pflanzen (Landpflanzen) hemmen kann.
„DELLA wirkt wie eine Bremsschwelle, aber wenn diese Bremsschwelle ständig vorhanden ist, kann sich die Pflanze nicht weiterentwickeln“, erklärt Debabrata Laha, außerordentlicher Professor für Biochemie und Mitautor der Studie. Daher ist der Abbau von DELLA-Proteinen entscheidend für das Pflanzenwachstum. Bei Blütenpflanzen wird DELLA abgebaut, wenn das PhytohormonGibberellin (GA)Es bindet an seinen Rezeptor GID1 und bildet den GA-GID1-DELLA-Komplex. Anschließend bindet das DELLA-Repressorprotein an Ubiquitinketten und wird durch das 26S-Proteasom abgebaut.
Interessanterweise gehörten Moose vor etwa 500 Millionen Jahren zu den ersten Pflanzen, die das Land besiedelten. Obwohl sie das Phytohormon Gibberellin (GA) produzieren, fehlt ihnen der GID1-Rezeptor. Dies wirft die Frage auf: Wie wurden Wachstum und Entwicklung dieser frühen Landpflanzen reguliert?
Die Forscher nutzten das CRISPR-Cas9-System, um das entsprechende VIH-Gen auszuschalten und so die Rolle von VIH zu bestätigen. Pflanzen ohne funktionsfähiges VIH-Enzym weisen schwere Wachstums- und Entwicklungsdefekte sowie morphologische Anomalien auf, wie beispielsweise einen dichten Thallus, eingeschränktes Radialwachstum und fehlende Kelchbildung. Diese Defekte wurden durch die Modifizierung des Pflanzengenoms behoben, sodass nur noch ein Ende (der N-Terminus) des VIH-Enzyms exprimiert wurde. Mithilfe moderner Chromatographieverfahren entdeckte das Forschungsteam, dass der N-Terminus eine Kinasedomäne enthält, die die Produktion von InsP₈ katalysiert.
Die Forscher entdeckten, dass DELLA eines der zellulären Zielmoleküle der VIH-Kinase ist. Darüber hinaus beobachteten sie, dass der Phänotyp von MpVIH-defizienten Pflanzen dem von Miscanthus multiforme-Pflanzen mit erhöhter DELLA-Expression ähnelte.
„Wir möchten nun herausfinden, ob die Stabilität oder Aktivität von DELLA in MpVIH-defizienten Pflanzen erhöht ist“, sagte Priyanshi Rana, Doktorandin in Laheys Forschungsgruppe und Erstautorin der Studie. Entsprechend ihrer Hypothese stellten die Forscher fest, dass die Hemmung von DELLA die Wachstums- und Entwicklungsdefekte in MpVIH-Mutantenpflanzen signifikant verringerte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die VIH-Kinase DELLA negativ reguliert und dadurch das Pflanzenwachstum und die Entwicklung fördert.
Die Forscher kombinierten genetische, biochemische und biophysikalische Methoden, um den Mechanismus aufzuklären, durch den Inositolpyrophosphat die DELLA-Protein-Expression in diesem Moos reguliert. Genauer gesagt bindet das von MpVIH produzierte InsP₈ an das MpDELLA-Protein und fördert dessen Polyubiquitinierung, was wiederum zum Abbau dieses Repressorproteins durch das Proteasom führt.
Die Forschung zum DELLA-Protein reicht bis in die Zeit der Grünen Revolution zurück, als Wissenschaftler unwissentlich sein Potenzial zur Entwicklung ertragreicher, halbzwergwüchsiger Sorten nutzten. Obwohl sein Wirkungsmechanismus damals unbekannt war, ermöglichen moderne Technologien die gezielte Beeinflussung der Funktion dieses Proteins durch Genomeditierung und damit eine effektive Steigerung der Ernteerträge.
„Angesichts des Bevölkerungswachstums und der schrumpfenden Ackerflächen ist die Steigerung der Ernteerträge von entscheidender Bedeutung“, sagte Raha. Da der InsP₈-regulierte Abbau von DELLA in embryonalen Pflanzen weit verbreitet sein kann, könnte diese Entdeckung den Weg für die Entwicklung ertragreicher Nutzpflanzen der nächsten Generation ebnen.
Veröffentlichungsdatum: 31. Oktober 2025