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21.01.2020 14:00

Botanik: Veröffentlichung in Plant Physiology

Welche Regulatoren bei Eisenmangel aktiv sind

Von: Arne Claussen

Eisenmangel ist ein kritischer Umstand für Pflanzen, auf den sie mit speziellen genetischen Programmen reagieren. Biologinnen und Biologen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Michigan State University (MSU) untersuchten mit Methoden der Künstlichen Intelligenz, wie die regulatorischen Genabschnitte vorhergesagt werden können. Die Ergebnisse ihrer gemeinsamen Forschungsarbeit veröffentlichten sie jetzt in der Fachzeitschrift Plant Physiology.

Bioinformatische Arbeitsschritte, um die cis-regulatorischen Elemente zu identifizieren. Die Ergebnisse der Studie tragen dazu bei, die genetische Regulation der Eisenmangelantwort in Pflanzen zu verstehen. (Abbildung: HHU / Birte Schwarz)

Wenn einer Pflanze wichtige Nährstoffe fehlen, kann sie nicht an einen anderen Standort umziehen, an dem sie besser versorgt ist. Sie muss sich vielmehr auf die Situation einstellen, indem sie ihren Stoffwechsel umstellt und dafür bestimmte, in ihrem Genom hinterlegte Programme aktiviert.

Eisen ist einer dieser Nährstoffe, der für das Wachstum und Überleben der Pflanzen essentiell ist. Er spielt bei der Photosynthese und beim Wasserhaushalt eine Rolle. Die Pflanze nimmt Eisen über die Wurzeln auf, dafür muss es aber in ausreichender Menge und vor allem in einer für die Pflanze verarbeitbaren Form vorliegen.

Mehr als 1.000 Gene in den Pflanzenwurzeln sind bekannt, die bei regulatorischen Prozessen bei Eisenmangel aktiv sein können. Sogenannte cis-regulatorische Elemente (CRE) koordinieren die spezifische genetische Antwort. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Petra Bauer vom HHU-Institut für Botanik und Prof. Dr. Shin-Han Shiu vom Department of Plant Biology der MSU haben ein Vorhersageverfahren entwickelt und damit Kandidaten für diese speziellen CREs identifiziert. Das Team nutzte dazu einen Maschinenlernansatz, ein Verfahren der künstlichen Intelligenz.

Über diesen Ansatz fand man rund 100 CRE-Kandidaten in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (der Ackerschmalwand). Mit dieser Kenntnis gelangten die Forschenden an Transkriptionsfaktoren, spezifische CRE-bindende Proteine, die die bei Eisenmangel ausgelösten Maßnahmen in den Wurzelzellen aktivieren.

Für die optimierte Pflanzenzucht ist es wichtig zu wissen, wie die Pflanze in Mangelsituationen reagiert und wie hier gegebenenfalls züchterisch gezielt eingegriffen werden kann, um besonders robuste Pflanzen zu erzeugen. „Die gefundenen CREs können von Züchtern genutzt werden, um die Eisenaufnahme in neuen Pflanzensorten gezielt zu steigern“, betont Prof. Bauer. Ihre Mitarbeiterin und Erstautorin der Studie Dr. Birte Schwarz ergänzt: „So kann eine bessere Eisenversorgung gewährleistet werden und eine bessere Anpassung der Pflanzen auch an schlechte Böden.“

Die bioinformatischen Arbeiten wurden schwerpunktmäßig an der MSU gemacht, wobei Dr. Schwarz während eines sechsmonatigen Aufenthalts in den USA im Rahmen ihrer Promotion hieran entscheidend mitwirkte. Diese internationale Forschungskooperation wird im Rahmen des internationalen Graduiertenkollegs iGRAD-Plant von der DFG gefördert (https://www.igrad-plant.hhu.de).

Die entwickelte bioinformatische Strategie ist vielseitiger einsetzbar. Sie kann auch dazu dienen, um die verantwortlichen Regulationsmechanismen bei anderen Stressfaktoren zu finden, etwa Wassermangel oder Befall der Pflanzen durch Krankheitserreger.  

Originalpublikation

Birte Schwarz, Christina B Azodi, Shin-Han Shiu, Petra Bauer, Putative cis-regulatory elements predict iron deficiency responses in Arabidopsis roots, Plant Physiology, January 2020

DOI: 10.1104/pp.19.00760

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