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Auxin: Gravitationssensor von Pflanzen?

| Autor/ Redakteur: Gunnar Bartsch* / Christian Lüttmann

Woher wissen die Wurzeln der Pflanze, in welche Richtung es tiefer ins Erdreich geht? Hierbei hilft ihnen das Hormon Auxin. Ohne diesen Botenstoff könnten Pflanzen nicht wachsen und sich entwickeln. Wie es diese Prozesse in Gang setzt, war bislang ungeklärt. Jetzt haben Wissenschaftler der Universität Würzburg zentrale Details entschlüsselt.

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Wie Pflanzen auf Umweltreize wie die Schwerkraft reagieren, haben Forscher anhand der Signalübertragung durch das Hormon Auxin untersucht (Symbolbild).
Wie Pflanzen auf Umweltreize wie die Schwerkraft reagieren, haben Forscher anhand der Signalübertragung durch das Hormon Auxin untersucht (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei)

Würzburg – Nach allem, was derzeit bekannt ist hat das Pflanzenhormon Auxin Einfluss auf sämtliche Aspekte des Wachstums und der Entwicklung von Pflanzen. Es lässt das Getreide von der Keimung der Samen bis hin zur Erntereife gedeihen, die Bäume in den Himmel wachsen und Datteln zu süßen Früchten reifen. Auxin ist damit maßgeblich für die Entstehung der pflanzlichen Biomasse auf der Erde verantwortlich. Das erklärt auch seinen Namen: Der leitet sich von dem Griechischen auxánō ab, was so viel bedeutet wie „ich wachse“.

Aus diesem Grund haben Agrar- und Forstwissenschaftler von je her versucht, den Wirkmechanismus des Wachstumshormons zu verstehen und ihre Erkenntnisse wirtschaftlich nutzbar zu machen. Doch obwohl die chemische Struktur von Auxin bereits in den 1930er-Jahren identifiziert wurde, ist die Frage, wie das Hormon zu den Zielzellen gelangt und wie es dort seine Wirkung entfaltet, bis heute noch nicht vollständig geklärt. Bei der Suche nach Antworten haben Würzburger Pflanzenforscher um den Biophysiker Professor Rainer Hedrich jetzt einen Durchbruch erzielt.

Mikroelektroden entschlüsseln den Transportmechanismus

Chemisch betrachtet, handelt es sich bei Auxin um eine vergleichsweise einfache Substanz, in der Fachsprache Indolyl-3-Essigsäure genannt, oder kurz IAA. Sie leitet sich aus der aromatischen Aminosäure Tryptophan her. Pflanzen produzieren das Hormon beispielsweise in der Spross-Spitze und leiten es dann zu den Zielzellen weiter, zum Beispiel in die Wurzeln.

„Wir haben für unsere neueste Studie die Wurzelhaarzellen unter die Lupe genommen, deren Entwicklung aus polar auswachsenden Zellen vom Auxin-Import anhängig ist“, schildert Rainer Hedrich den Ausgangspunkt der Würzburger Forschung. Julian Dindas, Doktorand an Hedrichs Lehrstuhl, hat dabei mit Hilfe von Mikroelektroden das sogenannte Membranpotential untersucht.

Das Potential entsteht, weil winzige molekulare Pumpen geladene Teilchen wie Protonen, also positiv geladene Ionen, aus dem Inneren der Zelle durch die Membran nach außen transportieren. So baut sich eine Ladungsdifferenz auf. Änderungen der Ionenkonzentrationen lassen sich messen, indem die Änderung der Membranspannung aufgezeichnet wird. Solche Potentialänderungen stellen die frühen Antworten der Zelle auf einen Hormonpuls dar. Diese Reaktionen maßen auch die Würzburger Pflanzenforscher, als sie den Wurzeln das Auxin applizierten.

Pflanzenmutante hilft bei Aufklärung

Das Ergebnis: Abhängig von der eingesetzten IAA-Konzentration und der Dauer der Anwendung, kam es zu einer deutlichen Änderung im Mebranpotential, einer so genannten Depolarisierung. Dabei setzte die negativ geladene Indolyl-Essigsäure einen Prozess in Gang, in dessen Folge Protonen, also positiv geladene Ionen, ins Zellinnere gelangten. Dieser Prozess war umso stärker, je mehr Protonen auf der Zellaußenseite vorlagen. „Das legte die Vermutung nahe, dass das negative geladene Hormonmolekül Indolyl-Essigsäure zusammen mit einem Überschuss an positiven Ionen in die Wurzelhaarzelle aufgenommen wird“, so Hedrich.

Dieses Messergebnis zog die nächste Frage automatisch nach sich: Welcher Transporter in der Zellmembran ist dafür verantwortlich? Die Frage war in Zusammenarbeit mit den Auxin-Genetikern Professor Klaus Palme aus Freiburg und Professor Malcolm Bennett aus Nottingham schnell beantwortet: „Aus einer Kollektion von Mutanten der Modellpflanze Arabidopsis mit untypischer Reaktion auf die Gabe von Auxin zeigte eine spezielle Mutante keine IAA-vermittelte Wurzelhaar-Depolarisation mehr“, so Hedrich. Die Pflanze hatte durch die Mutation also keine Möglichkeit mehr, das Auxin entsprechend zu verarbeiten.

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