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14.12.2018

Phosphatmangel löst Autophagie in der Wurzel aus

Autophagosomen der Wurzelspitze nach Phosphatmangel

Färbung der Autophagosomen einer Wurzelspitze nach Transfer für 2 Tage auf Phosphatmangel-Medium. Bild: Christin Naumann.

Wissenschaftler der Abteilung Molekulare Signalverarbeitung haben gezeigt, dass Pflanzen unter Phosphatmangel stressinduzierte Prozesse der Autophagie in ihren Wurzelspitzen auslösen. Bisher kannte man Prozesse des autophagischen Selbstverdaus in Pflanzenzellen nur bei Stickstoff-, Kohlenstoff- oder Schwefelmangel, nicht aber unter Phosphatlimitierung. In ihrer jüngst in Plant Physiology erschienenen Publikation zeigen die Pflanzenforscher des IPB, dass die vermehrte Bildung von Autophagosomen unter Phosphatmangel in der Wurzelspitze durch allgemeine Stressreaktionen des Endoplasmatischen Retikulums (ER) initiiert wird.

Dabei scheint die Auslösung des ER-Stresses direkt mit der Perzeption der Phosphatverfügbarkeit im Boden zusammenzuhängen. Bei Stickstoff- oder Kohlenstoffhunger dient die stressinduzierte Autophagie in erster Linie einem Recycling der limitierten Nährstoffe. Für Phosphatmangel konnte dies jedoch nicht gezeigt werden. Vielmehr fand man heraus, dass die Anpassungsreaktion bei Phosphatlimitierung, die über die Akkumulationen von Eisenionen, die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies und einer lokalen Zellwandverdickung in der Stammzellnische zum Stopp des Tiefenwachstums der Wurzelspitze und der vermehrten Ausbildung von Seitenwurzeln führt, die ER-stressbedingte Autophagie auslöst.

Bei dieser grundlegenden Veränderung der Wurzelarchitektur unter Phosphatmangel spielen die Gene LPR1 und PDR2 eine große Rolle. LPR1, eine zellwandlokalisierte Ferroxidase, wirkt dabei aktivierend auf die ER-stressbedingte Bildung der Autophagosomen. Dabei wird die Ferroxidase über einen bisher unbekannten Mechanismus durch PDR2 reguliert. PDR2 codiert für eine P5-ATPase im ER. Ihr Substrat und damit ihre Funktion sind bisher nicht bekannt. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Verlust der P5-ATPase eine erhöhte stressbedingte Autophagie unter Phosphatmangel zur Folge hat. Neben Hitze und chemischen Stressoren wurde damit erstmals auch Phosphatmangel als natürlicher Auslöser für ER-stressbedingte Autophagie identifiziert. Die Befunde mündeten in einem ersten Modell.

Originalpublikation:
Christin Naumann, Jens Müller, Siriwat Sakhonwasee, Annika Wieghaus, Gerd Hause, Marcus Heisters, Katharina Bürstenbinder & Steffen Abel. The local phosphate deficiency response activates ER Stress-dependent autophagy. Published December 2018 in Plant Physiology, DOI: https://doi.org/10.1104/pp.18.01379

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