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Insulin und Adrenalin kennt jeder – oder Testosteron. Diese Hormone regulieren beim Menschen den Blutzuckerspiegel, die Menge an Stress oder die Spermienentwicklung. Aber wer hat schon von Auxin und Ethylen gehört oder von Zytokinin? Dabei sind diese Hormone für Pflanzen mindestens ebenso wichtig wie die zuvor genannten Hormone für den Menschen. Auxine und Zytokinine sind zentrale Phytohormone und fördern das Wachstum von Pflanzen, Ethylen beschleunigt unter anderem die Reifung der Früchte.
Seit der Entdeckung der Phytohormone Mitte des letzten Jahrhunderts beschäftigen sich die Pflanzenforscher intensiv mit der biochemischen Wirkungsweise dieser Hormone, die das Verhalten der Zellen im Pflanzenorganismus orchestrieren und Reaktionen auf Umwelteinflüsse bestimmen.
Wie sensibel die Reaktionen sein können, zeigt die Bewegung von Sonnenblumen, die ihre Blüten nach dem Sonnenstand richten. Erst vor kurzem wurde nachgewiesen, dass die Konzentration von Auxin diese feine Drehung durch Änderungen des Längenwachstums einzelner Zellen möglich macht.
Während die biochemischen Signalwege und Verteilung von Auxin im Zellgewebe relativ gut erforscht und bekannt sind, tappte die Wissenschaft im Fall von Zytokinin bisher im Dunkeln. Nun hat Bruno Müller, Forschungsgruppenleiter am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der UZH, Licht ins Dunkle gebracht. In der aktuellen Ausgabe des US-Wissenschaftsmagazins «Science» präsentiert er einen Signalweg, über den die Zytokinine reguliert werden. «Wir haben einen neuen und überraschenden Wirkungsmechanismus gefunden», sagt Müller, der sich über das prominent platzierte Paper in «Science» freut.
Erstautorin der Experimente mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) sind seine Mitarbeitenden Evelyne Zürcher und Jingchun Liu. Die Arbeiten sind in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Fribourg und mit Unterstützung von Ueli Grossniklaus, dem Leiter des UZH-Instituts, durchgeführt worden.
Die Forscherinnen und Forscher untersuchten die Zytokinin-Regulation mithilfe von Arabidopsis-Zellgewebe im Labor und stiessen auf unerwartete Ergebnisse. Überraschend am neuen Befund ist, dass die Wirkung von Zytokininen negativ reguliert ist. Das heisst, in jenen Zellen, in denen das Hormon nicht wirken soll, wird es über einen biochemischen Transporter aus der Umgebung der äusseren Zellmembran entfernt und in die Pflanzenzellen geschleust. Im Zellinnern wird das Hormon dann abgebaut.
«Man könnte das Prinzip mit einem Staubsauger vergleichen, der das Phytohormon wegsaugt» sagt Müller, der dieses Transportmolekül erstmals beschreiben konnte. Durch diesen Vorgang sinkt die Konzentration des Hormons und damit seine Signalwirkung. Bleibt das Zytokinin hingegen ungestört vor Ort, kann es seine hormonelle Wirkung über Rezeptoren auslösen.
Dieser Mechanismus ist fundamental verschieden von demjenigen von Auxin, der über die Konzentrationsanreicherung im Zellinnern funktioniert. Dieser Unterschied ist wohl einer der Gründe, weshalb der Mechanismus erst jetzt nachgewiesen wurde. Denn die Forscherinnen und Forscher suchten bisher nach einer Funktionsweise analog derjenigen bei Auxin. Bruno Müller hingegen verfolgte einen anderen Ansatz und konnte punkten.
Der Pflanzengenetiker rechnet damit, dass Forscherinnen und Forscher weltweit die Zürcher Arbeiten aufnehmen und weitertreiben werden. Denn Zytokinine sind wie Auxine wegen der Bedeutung für die Regulation des Pflanzenwachstums interessant. Und nach den neuen Antworten stellen sich auch hier vor allem viele weitere Fragen. Zum Beispiel wie die Transportmoleküle, die Zytokinine entfernen, reguliert werden.
Abgesehen von Einsichten in grundlegende Pflanzenprozesse haben die Ergebnisse auch praktische Bedeutung. Denn Zytokinine regulieren zusammen mit anderen Hormonen viele überlebenswichtige Wachstumsprozesse. Für die Ernährungssicherung eröffneten sich neue Möglichkeiten zur Züchtung ertragreicher Pflanzen, die Trockenheit ertragen und Schädlinge abwehren, prognostiziert Bruno Müller.
