Pflanzenstress: Neue Erkenntnisse zu cAMP-Signalnetzwerken
Das Molekül cAMP, das in tierischen Zellen eine zentrale Rolle einnimmt, ist in Pflanzen bislang wenig erforscht. Wissenschaftler:innen des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) konnten in einer aktuellen Studie, veröffentlicht in Science Advances, nachweisen, dass Pflanzen zwei unterschiedliche Formen von cAMP parallel nutzen. Diese dienen sowohl der Regulation normaler Zellprozesse als auch der Reaktion auf Stressfaktoren. Die Signalwege dieser cAMP-Formen kommunizieren miteinander und schaffen so eine funktionale Redundanz. Die gewonnenen Erkenntnisse können zukünftig dazu beitragen, die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Nutzpflanzen angesichts des Klimawandels zu verbessern.
Biologische Anpassungen an Umweltstress
Pflanzen sind in ihrer natürlichen Umgebung verschiedenen Stressoren wie Hitze, Frost, Überflutung, Trockenheit oder Infektionen ausgesetzt, denen sie nicht ausweichen können. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben sie im Laufe der Evolution spezialisierte biologische Mechanismen entwickelt. Obwohl viele molekulare Prozesse zwischen Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen ähnlich sind, lassen sich Erkenntnisse aus tierischen Modellen nicht ohne Weiteres auf Pflanzen übertragen.
Die Rolle von cAMP in Pflanzen
Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) ist ein essenzielles Signalmolekül, dessen Funktionen in Säugetierzellen gut untersucht sind. In Pflanzen hingegen ist seine Rolle weitgehend unerforscht. Das Forscherteam um Mingyue Li und Professor Jiří Friml am ISTA sowie Kolleg:innen aus Deutschland, Saudi-Arabien, Tschechien und den USA untersuchte die Wirkung von cAMP im Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand).
Zwei cAMP-Isomere mit differenzierten Funktionen
- In tierischen Zellen ist 3’,5’-cAMP die vorherrschende Form und beteiligt an der Signalübertragung zwischen Nervenzellen, der Hormonregulation sowie dem Stoffwechsel. Es entsteht aus ATP.
- Daneben existiert ein strukturell ähnliches Isomer, 2’,3’-cAMP, das mit RNA-Abbauprozessen und Stressantworten verknüpft ist. In Säugetierzellen wird dessen Konzentration streng reguliert, da hohe Mengen toxisch sein können.
Die Studie zeigt, dass beide cAMP-Formen auch in Pflanzen vorkommen, wobei die Konzentration von 2’,3’-cAMP in Arabidopsis mehr als 60-fach höher ist als die von 3’,5’-cAMP, das bei Tieren dominiert.
Unterschiedliche, aber überlappende Funktionen
Mittels molekularbiologischer und zellbiologischer Methoden konnten die Forschenden nachweisen, dass die beiden cAMP-Isomere in Pflanzen unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Während 3’,5’-cAMP vor allem Wachstum, Erhaltungsprozesse, Nährstoffstatus und grundlegende Zellfunktionen reguliert, löst 2’,3’-cAMP umfassendere Effekte aus, darunter die Aktivierung spezieller Stoffwechselwege und breit angelegte Stressreaktionen. Die teilweise überlappenden Funktionen deuten auf eine komplexe Anpassung der Pflanzen an Umweltbedingungen hin.
Interaktion und Redundanz der Signalwege
Die parallele Existenz und gegenseitige Kommunikation der beiden cAMP-Signalwege ermöglichen es Pflanzen, zelluläre Prozesse präzise zu steuern und unterschiedliche externe Reize zu differenzieren. Diese Vernetzung schafft eine funktionale Redundanz, sodass bei Ausfall eines Signalwegs der andere kompensieren kann. Dadurch wird eine robustere Reaktion auf eine Vielzahl von Umweltbedingungen gewährleistet.
Ausblick
Ein vertieftes Verständnis der cAMP-vermittelten Signalnetzwerke in Pflanzen kann langfristig dazu beitragen, die Belastbarkeit und Ertragsfähigkeit von Nutzpflanzen unter klimatischen Stressbedingungen zu verbessern.
Originalpublikation
Mingyue Li, Monika Chodasiewicz, Malavika Muraleedharan et al. (2026): Biogenesis and downstream effects of 3’,5’ and 2’,3’ cAMP isomers in plants. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.aea7828
Weitere Informationen
Forschungsgruppe „Pflanzliche Entwicklungs- und Zellbiologie“ am ISTA: https://ista.ac.at/de/forschung/friml-gruppe/
