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Pflanzenzellen benötigen für ihre Stabilisierung einen inneren Druck – diesen verleihen ihnen die sogenannten Vakuolen, wassergefüllte, von einer Membran umschlossene Organellen. Wird die pflanzliche Zellwand beschädigt, droht die Vakuole zu reißen, wodurch die Zelle in weiterer Folge absterben würde. Die Gruppe von Yasin Dagdas am Gregor-Mendel-Institut (GMI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften beschreibt nun einen bisher unbekannten Kontrollmechanismus, der die Integrität der Vakuole bei Schäden der Zellwand schützt. Die Forschungsergebnisse wurden am 7. Februar im Fachjournal Nature Plants veröffentlicht.
Pflanzen lassen ihre Blätter hängen und werfen sie ab, wenn sie ausgetrocknet sind. Aber mit ein bisschen Wasser gewinnen ihre Stängel wieder an Kraft, und ihre Blätter entfalten sich erneut. Diese Veränderung ist ein klares Signal für uns, regelmäßig zur Gießkanne zu greifen. Und sie zeigt, wie empfindlich die Prozesse auf zellulärer Ebene aufeinander abgestimmt sind, welche die Pflanzenstruktur aufrechterhalten.
Die Festigkeit des Gewebes einer Pflanze hängt vom Gleichgewicht zwischen zwei Elementen ab: Die starke, flexible Zellwand bietet strukturelle Unterstützung, während die Vakuole, ein großer, mit Wasser gefüllter Zellraum, wie ein Ballon wirkt und gegen die Zellwand drückt. Das empfindliche Druckgleichgewicht zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Vakuole verleiht den Pflanzen gleichzeitig Stärke, Flexibilität und die Fähigkeit, aufrecht zu wachsen, ohne unter ihrem eigenen Gewicht zusammenzubrechen.
Dieses Gleichgewicht kann gestört werden, wenn die Zellwand verletzt wird: Durch den plötzlichen Druckabfall reißt die Vakuole und verliert ihren Inhalt, was in Folge zum Zelltod führen kann. Während die Mechanismen, die für eine schnelle Reparatur der Zellwand sorgen, gut erforscht sind, wissen wir bis jetzt nur sehr wenig darüber, wie die Vakuole bei einer plötzlichen Druckveränderung vor dem Zerreißen geschützt wird.
Um diese Frage zu klären, führte das Dagdas-Team genetische und funktionelle Analysen in den Modellpflanzen Marchantia polymorpha und Arabidopsis thaliana durch. Das Team beschrieb einen bisher unbekannten Mechanismus zur Qualitätskontrolle: Durch die Beschädigung der Zellwand lagert sich das Molekül ATG8 an die Membran der Vakuole an. Dieser Prozess ist als ATG8ylierung bekannt. Normalerweise befindet sich das Molekül ATG8 in Zellvesikeln und steuert die Autophagie. Das Forschungsteam zeigte nun, dass ATG8 bei einer Beschädigung der Zellwand sofort an die Vakuolenmembran verlagert wird.
Als nächsten Schritt möchte das Team genauer untersuchen, wie die Pflanzenzelle die Schädigung der Zellwand wahrnimmt und wie genau ATG8 die Integrität der Vakuole schützt. „Die Entschlüsselung dieses Prozesses wird uns helfen zu verstehen, wie sich Pflanzenzellen gegen externe Störungen wie Krankheitserreger und Umwelteinflüsse wehren“, sagt Jose Julián, Co-Erstautor der Arbeit und Postdoktorand im Labor von Yasin Dagdas. „Wir werden untersuchen, ob ATG8 der Vakuolenmembran hilft, sich zu dehnen, so dass sie den Druckunterschied ausgleichen kann, oder ob ATG8 stattdessen hilft, beschädigte Abschnitte der Membran zu isolieren und zu entfernen.“
Sylvia Weinzettl
Dr. Bohr-Gasse 3, 1030 Wien
T: +43 1 79044 – 4403
Mail: sylvia.weinzettl@gmi.oeaw.ac.at
gmi.oeaw.ac.at
ATG8ylation of vacuolar membrane protects plants against cell wall damage
Jose Julian, Peng Gao, Alessia Del Chiaro, Juan Carlos De La Concepcion, Laia Armengot, Marc Somssich, Heloise Duverge, Marion Clavel, Nenad Grujic, Roksolana Kobylinska, Ingo Polivka, Maarten Besten, Christian Dank, Barbara Korbei, Andreas Bachmair, Nuria S. Coll, Elena A. Minina, Joris Sprakel, Yasin Dagdas. Nature Plants. DOI: 10.1038/s41477-025-01907-z
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Biologie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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