An und aus: Die "molekularen Schalter" der Eisenverteilung

Pflanzen benötigen ebenso wie Tiere Nahrung für ihr Wachstum und ihr Überleben. Pflanzen nehmen Nährstoffe aus dem umgebenden Boden auf, um sie an die verschiedenen Pflanzenorgane weiterzugeben. Dort können die Nährstoffe für Tiere in Form von Nahrung biologisch verfügbar gemacht werden. In beiden Organismen werden einige Nährstoffe in großen Mengen benötigt, während andere in kleineren Mengen erforderlich sind. Letztere sind als Spurenelemente oder Mikronährstoffe bekannt, zu denen Zink, Eisen, Mangan und Kupfer gehören.

Eisen ist ein wesentlicher Mikronährstoff für Pflanzen und Tiere. In Pflanzen spielt Eisen eine wichtige Rolle als Cofaktor bei der Chlorophyllsynthese und bei den photosynthetischen Elektronentransportreaktionen, die für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen entscheidend sind. Eisen ist auch wichtig für die pflanzliche Abwehr gegen eindringende Mikroben. Eisenmangel bei Pflanzen äußert sich in sichtbarer Blattchlorose und verminderter Pflanzenbiomasse, was zu geringen Ernteerträgen führt. Andererseits ist ein Eisenüberschuss schädlich für die Pflanze, da er zum Zelltod führen kann. Daher haben Pflanzen verschiedene Strategien entwickelt, um die Aufnahme des Minerals aus dem umgebenden Boden und die Verwertung in der Pflanze zu regulieren.

Pflanzen sind eine reichhaltige Eisenquelle für den Menschen, da es in Blättern, Früchten und Samen enthalten ist. Das Eisen wird von den Pflanzenwurzeln aus der Rhizosphäre des Bodens aufgenommen, wo es bioverfügbar gemacht wird. Anschließend wird das Eisen über das Gefäßsystem, das Xylem und das Phloem zu den Sprossorganen transportiert. In den Sprossen wird der Mineralstoff in großem Umfang an die Blätter verteilt, da er an den photosynthetischen Prozessen beteiligt ist, bei denen die Pflanzen das Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Zucker zu verwandeln.

Im Gegensatz zu Tieren sind Pflanzen unbewegliche Organismen und müssen sich daher während ihres Wachstums an eine Reihe von abiotischen Stressfaktoren, wie Nährstoffmangel anpassen. In ähnlicher Weise können Pflanzen eine Eisenbegrenzung in ihrer Wachstumsumgebung erkennen und Mechanismen entwickeln, die ihr Überleben sichern. Solche Reaktionen können unter anderem folgende sein:

• Veränderung von Pflanzenwachstumsmerkmalen, z. B. Wurzelverlängerung und Seitenwurzelbildung. Dies ermöglicht der Pflanze den Zugang zu mehr Bodenoberflächen, wo Eisen und andere Mineralien in hohem Maße für die Aufnahme verfügbar sein können.
• Verstärkte Verlagerung von Eisen von der Wurzel zum Spross, wodurch die Kommunikation und Signalübertragung über große Entfernungen zwischen Spross und Wurzel ermöglicht wird. Dies geschieht über das Gefäßsystem der Pflanze (siehe Abbildung 1).
• Erhöhte Effizienz der Eisenbeladung von Organen, in denen es vorübergehend gespeichert wurde, um es an Gewebe abzugeben, wo es dringend benötigt wird.

Alle drei Reaktionen beinhalten Mechanismen, mit denen die Pflanze die Eisenbeschränkung überwinden und den Erwerb, die Umverteilung und die Verwertung von Eisen steigern kann. Um die Koordination der Reaktionen auf Eisenmangel sicherzustellen, setzen Pflanzen eine Reihe von "molekularen Schaltern" ein. Dabei handelt es sich um Gene, die für verschiedene Proteine kodieren, die die Reaktionen streng regulieren, um eine Eisenüberladung zu vermeiden. Wie der Name schon sagt, können die "molekularen Schalter" ein- oder ausgeschaltet werden, je nachdem, wie viel von dem Mineral in der Umgebung der Pflanze verfügbar ist und wie viel davon in der Pflanze benötigt wird. Die Gene stehen in positiver oder negativer Wechselwirkung und bilden ein Genregulationsnetzwerk, das die Eisenhomöostase der gesamten Pflanze fein abstimmt. 

Um besser zu verstehen, wie der Eisenerwerb und die Reaktionen auf die Eisenallokation koordiniert werden, konzentriert sich meine Doktorarbeit auf die Untersuchung, wie sich die beteiligten Genregulationsnetze an die Entwicklungsprozesse der Pflanzen anpassen. Insbesondere möchte ich verstehen, wie Eisenmangelgene und Transkriptionsfaktoren in verschiedenen Sprossorganen wie Blütenständen, Blättern und Stängeln unter wechselnden Eisenbedingungen und über den gesamten Lebenszyklus der Pflanze hinweg reguliert werden. Es ist wahrscheinlich, dass die Eisenhomöostase auch mit anderen Umweltsignalen wie Licht interagiert, um pflanzliche Entwicklungsprozesse zu ermöglichen, die eine ständige Anpassung der Eisenverwertung erfordern.  Das Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Eisenhomöostase und pflanzlicher Entwicklungsprozesse wird sich auf die Züchtungsbemühungen für nährstoffreiche Pflanzen auswirken.

Der Originaltext ist in englischer Sprache und wurde für die deutsche Version übersetzt.