Munich, Germany
August 17, 2015
Growth defects of the model research plant thale cress (Arabidopsis thaliana) which are induced by missing of steroid hormones (left side). With the help of gibberelline production the defects could be repaired (right side). (Photo: Brigitte Poppenberger / TUM)
Wuchsdefekte der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die durch fehlende Steroidhormonwirkung ausgelöst werden (linke Seite), konnten durch Wiederherstellen der Gibberellinproduktion behoben werden (rechte Seite). (Foto: Brigitte Poppenberger / TUM)
Two growth-promoting groups of substances, or phytohormones, the gibberellins and the brassinosteroids, are used independently of each other for the breeding and production of crop plants. A team of scientists at Technical University of Munich (TUM) has now discovered that the two act in concert - without brassinosteroids, a plant is unable to produce gibberellins.
For their current investigations, a research group at the Technical University of Munich, supported by scientists from the Helmholtz Zentrum Munich and the TU Braunschweig and headed by Professor Brigitte Poppenberger from the TUM used thale cress (Arabidopsis thaliana), a model research plant. The researchers wanted to examine the molecular mechanisms of brassinosteroids. Although it was well known how brassinosteroids are produced and how their signals are transmitted in plants, it was unclear how the growth promotion process is initiated.
What happens if the plant steroid is damaged?
The scientists used plants with mutations, which impaired the activity of brassinosteroids. They thereby discovered that these plants produced less gibberellin. As a result, the plants’ germination was impaired, their growth inhibited and their flowering delayed. “The brassinosteroids are therefore necessary for the production of gibberellins – a mechanism that is highly relevant to the growth and development of plants,” says Poppenberger, Professor for the Biotechnology of Horticultural Crops. The scientists were able to show that transcription factors are responsible for this mechanism. Transcription factors are proteins that regulate gene expression. Once activated by brassinosteroids, they initiate the production of gibberellin. “We’ve elucidated a molecular mechanism that is fundamental to cell elongation and division in plants,” the head of the research group concludes.
Dwarf cultivars, such as balcony varieties of vegetables like tomatoes and cucumbers, as well as grain varieties were specifically selected for impaired brassinosteroid metabolism, says Poppenberger. “We now understand that these defects interfere with the mechanism of action of gibberellins. In barley, for example, this results in shorter stalks with better stability and higher yields,” Poppenberger explains.
These short cultivars are called semi-dwarf varieties. They were bred as early as the 1950s and 1960s when the primary aim was to improve yields. The Nobel Laureate Norman Borlaug, known as the father of the green revolution, bred short-stalked wheat and rice. Coupled with intensified farming methods, these new crop varieties increased yields fivefold, preventing famines in Mexico and later China.
Brassinosteroids – the key to plant growth
Whereas external application of gibberellins has been utilized in agriculture for several decades, for example, to produce larger fruits or to obtain seedless fruits like grapes or tangerines, brassinosteroids have not been used in this manner. It would be too expensive. However, in plant breeding varieties with defects in brassinosteroid activity have been selected for, barley being a prime example. “These findings are an important step toward improving our understanding of how plant steroids work – and harnessing their potential for the breeding and production of crop plants,” says Brigitte Poppenberger.
Publication:
Unterholzner, S.J., Rozhon, W., Papacek, M., Ciomas, J., Lange, T., Kugler, K.G., Mayer, K.F., Sieberer, T. and Poppenberger, B. (2015). Brassinosteroids are master regulators of gibberellin biosynthesis in Arabidopsis.
DOI: 10.1105/tpc.15.00433
Molekularer Mechanismus des Pflanzenwachstums entschlüsselt
Es gibt zwei wachstumsfördernde Stoffgruppen in Pflanzen, die unabhängig voneinander bei Kulturpflanzen eingesetzt werden: Die Phytohormone Gibberelline und die Brassinosteroide. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) entschlüsselt, dass die beiden im Duett agieren – ohne Brassinosteroide stellt eine Pflanze keine Gibberelline her.
Für ihre aktuellen Untersuchungen hat eine Forschungsgruppe der Technischen Universität München, unterstützt durch Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München und der TU Braunschweig unter der Leitung von TUM-Professorin Brigitte Poppenberger die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) genutzt. Sie wollten die molekularen Mechanismen der Wirkweise der Brassinosteroide untersuchen. Obwohl klar beschrieben wurde, wie Brassinosteroide in Pflanzen entstehen und ihre Signale übermittelt werden, blieb bislang unklar, wie der Prozess der Wachstumsförderung in Gang kommt.
Was passiert, wenn das pflanzliche Steroid beschädigt ist?
Die Wissenschaftler verwendeten genetisch veränderte Pflanzen, die Defekte in der Wirkungsweise der Brassinosteroide aufwiesen. Sie stellten dabei fest, dass in diesen Pflanzen weniger Gibberelline produziert wurden. Dadurch war die Keimfähigkeit reduziert, das Wachstum gehemmt und die Blüte verzögert. „Die Brassinosteroide sind folglich für die Produktion von Gibberellinen notwendig, was von hoher Relevanz für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen ist“, sagt Poppenberger, Professorin für das Fachgebiet Biotechnologie gartenbaulicher Kulturen. Die Wissenschaftler konnten belegen, dass für diesen Mechanismus sogenannte Transkriptionsfaktoren verantwortlich sind. Das sind Proteine, die Gene regulieren. Sie werden durch Brassinosteroide aktiviert und schieben dann die Gibberellinherstellung an. „Damit haben wir einen molekularen Mechanismus aufgeklärt, der in Pflanzen Zellstreckung und -teilung ermöglicht“, schlussfolgert die Leiterin der Forschungsgruppe.
Zwergwüchsige Sorten wie beispielsweise Balkonsorten von gängigen Gemüsearten wie Tomaten oder Gurken, aber auch Getreidesorten wurden gezielt auf Schäden im Brassinosteroid-Stoffwechsel selektiert, sagt Poppenberger. „Wir verstehen nun, dass durch diese Defekte eine eingeschränkte Wirkweise der Gibberelline hervorgerufen wird. Das führt etwa bei Gerste zu kürzeren Halmen mit besserer Standfestigkeit und höheren Erträgen“, erklärt Poppenberger.
Diese kleinwüchsigen Sorten werden Halbzwergsorten genannt. Bereits in den 50er- und 60er-Jahren wurden sie gezüchtet als die Ertragssteigerung oberstes Ziel war. Der Nobelpreisträger Norman Borlaug, auch bekannt als Vater der grünen Revolution, züchtete Weizen und Reis mit kürzeren Halmen. Gepaart mit intensivierter Kulturtechnik steigerten sich die Erträge um das Fünffache, was viele Hungersnöte in Mexiko, später auch China verhinderte.
Brassinosteroide – Schlüssel zum Pflanzenwachstum
Während Gibberelline im Gartenbau schon seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt werden, zum Beispiel um größere Früchte zu produzieren oder kernlose Früchte wie Trauben oder Mandarinen zu erhalten, sind Brassinosteroide bisher im Gartenbau kaum angewandt worden. Es wäre zu kostspielig. Nur in der Pflanzenzüchtung wurden die Brassinosteroiddefekte bereits genutzt wie bei Gerste beschrieben. „Diese Forschungsergebnisse sind daher ein wichtiger Schritt, um besser zu verstehen, wie pflanzliche Steroide wirken“, sagt Brigitte Poppenberger, „und ihr Potenzial für Züchtung und Produktion von Kulturpflanzen nutzbar zu machen.“
Publikation:
Unterholzner, S.J., Rozhon, W., Papacek, M., Ciomas, J., Lange, T., Kugler, K.G., Mayer, K.F., Sieberer, T. and Poppenberger, B. (2015). Brassinosteroids are master regulators of gibberellin biosynthesis in Arabidopsis.
DOI: 10.1105/tpc.15.00433
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