Biosensor visualisiert erstmals die Umverteilungsdynamik des Steuerungshormons Auxin in einzelnen Zellen lebender Pflanzen

Keimling der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana). Die Lupe vergrößert die Wurzelspitze: Die Zellkerne sind mit zunehmender Auxin-Menge von blau über grün und gelb bis rot gefärbt. Das meiste Auxin befindet sich dort, wo die Neigung (Gravitationsvektor) am größten ist. Unten: die chemische Struktur von Auxin. (C) S. Shanmugaratnam, A.C. Stiel, M. Kolb.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und an der Universität Bayreuth haben einen neuartigen Sensor entwickelt, mit dem die Verteilung des wachstumsregulierenden Hormons Auxin in den Zellen lebender Pflanzen in Echtzeit sichtbar gemacht wird. Dadurch lässt sich die räumliche und zeitliche Umverteilungsdynamik des Pflanzenhormons darstellen, zum Beispiel bei sich verändernden Umwelteinflüssen.

Auxin spielt eine zentrale Rolle im Leben der Pflanzen. Das Hormon reguliert unzählige Prozesse in ihren Zellen, angefangen bei der Entwicklung des Embryos im Samen über die Ausbildung des Wurzelgeflechts bis hin zu gerichtetem Wachstum als standortspezifische Reaktion auf Licht und Schwerkraft. Auxin bindet im Zellkern an bestimmte Rezeptoren und erzeugt so Signalkaskaden, die die Antwort der Pflanze auf einen äußeren Reiz koordinieren.

Wichtig ist dabei die reizabhängige Umverteilung von Auxin innerhalb des Gewebes, wodurch es in bestimmten Zellen konzentriert wird und dort die Antwort auslöst. Bislang war es nicht möglich, Auxin im Zusammenhang dieser Prozesse direkt zu beobachten. Es wurde bisher immer nur aus der Wirkung, die man messen konnte, auf das generelle Vorhandensein von Auxin geschlossen. Durch die Verwendung eines neuartigen Biosensors kann jedoch nun Auxin in den einzelnen Zellen einer Pflanze direkt sichtbar gemacht werden. Damit wurde zum ersten Mal die schnelle und dynamische Umverteilung von Auxin, zum Beispiel bei der Änderung des gerichteten Wurzelwachstums, bildlich dargestellt, fast 100 Jahre nach der erstmaligen Beschreibung der Wirkung von Auxin.

Entwicklung des Biosensors AuxSen im interdisziplinären Team

Die Entwicklung dieses Biosensors, kurz AuxSen genannt, ist das Ergebnis einer interdisziplinären Zusammenarbeit zweier Teams, bei der Wissen und Erfahrung in Pflanzenbiologie und Proteinbiochemie zusammenkamen. Das Ziel war einfach zu formulieren: Die Pflanzen sollten ein Protein bilden, das bei Vorhandensein von Auxin leuchtet und so mit einem optischen Verfahren nachverfolgt werden kann. Die Umsetzung war jedoch komplexer.

Als Ausgangspunkt wählten die Forschenden ein Protein aus dem Bakterium E. coli, das spezifisch die Aminosäure Tryptophan bindet und sehr viel schlechter auch an das chemisch verwandte Auxin. Dieses Protein wurde an zwei weitere Proteine gekoppelt, die, wenn sie mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt werden, fluoreszieren. Wenn diese beiden fluoreszierenden Proteine einander ganz nah sind, kann die Energie der Anregung des einen auf das andere Protein übertragen werden; es geschieht ein sogenannter Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET).

AuxSen vereint hohe Signalqualität mit optimaler Bindungsstärke an Auxin

Dieser FRET-Effekt sollte nur auftreten, wenn Auxin gebunden wird. Dazu musste dieses künstliche Protein so mutiert, d.h. genetisch verändert werden, dass es nur noch Auxin, aber nicht mehr Tryptophan bindet. Bei diesen Experimenten war die Biochemie ganz entscheidend. Es wurden Kristallstrukturen des Proteins im Komplex mit Tryptophan oder Auxin erzeugt und daraus Vorhersagen über die Auswirkungen von Aminosäure-Austauschen auf die spezifische Bindung von Auxin abgeleitet. "Für uns war es verblüffend zu sehen, dass die so nah verwandten Moleküle Tryptophan und Auxin unterschiedlich in der Bindetasche liegen“, so Mitautor Andre C. Stiel. "Das hat uns die Aufgabe erleichtert, die Bindung von Auxin auf Kosten von Tryptophan zu verbessern". Insgesamt wurden in einem sich wiederholenden Verfahren etwa 2.000 Varianten erzeugt und auf spezifische Bindung von Auxin getestet, um schließlich AuxSen als die optimale Lösung zu erhalten.

Im pflanzenbiologischen Bereich ging es zunächst darum, mit AuxSen ein Signal in transgenen Pflanzen zu detektieren. Dabei gab es eine Zwickmühle. Einerseits war in allen Zellen ein Protein mit hoher Bindungsneigung an Auxin gewünscht, um überall mit hoher Sensitivität Auxin nachweisen zu können; andererseits war zu erwarten, dass dadurch die normale Auxin-Wirkung gestört würde und die Pflanzen darunter leiden könnten. Nach einigen Experimenten wurde eine Kompromisslösung gefunden. AuxSen wird ubiquitär und stark exprimiert, aber nur nach Induktion mit einer kleinen Chemikalie und dann für relativ kurze Zeit, wodurch schädliche Wirkungen nicht auftreten.

Neue Erkenntnisse zur Umverteilung von Auxin in Pflanzen

Was sind die wichtigen neuen Befunde? Ein Beispiel ist die unerwartet schnelle Aufnahme von Auxin in die Zelle – nach Zugabe von Auxin ist innerhalb von ein bis zwei Minuten die maximale Antwort im Zellkern zu beobachten. Auch nach Auswaschen von Auxin dauert es nur etwa zehn Minuten, bis das Signal im Zellkern wieder verschwunden ist. Besonders interessant war die schnelle Umverteilung nach Drehung einer Pflanze, wodurch die Wurzelspitze nicht mehr nach unten, sondern schräg nach oben zeigte. Schon nach einer Minute sammelte sich Auxin auf der neuen Unterseite der Wurzelspitze, und nach der Rückdrehung war die alte Verteilung von Auxin ebenfalls schon nach einer Minute wiederhergestellt. "Das hat uns völlig verblüfft", kommentieren die Mitautoren Ole Herud-Sikimic und Martina Kolb. Diese schnelle und reversible Reaktion war nicht erwartet worden. Man konnte sie bislang auch gar nicht messen.

Die Veröffentlichung von AuxSen ist zunächst einmal ein technologischer Durchbruch, der enormes Anwendungspotenzial hat. Das Fazit der beiden Seniorautoren Birte Höcker von der Universität Bayreuth und Gerd Jürgens vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie: "Wir haben gezeigt, dass sich Auxin im Gewebe in Echtzeit darstellen lässt, auch in subzellulären Bereichen, wo das bislang für unmöglich gehalten wurde. Jetzt geht es darum, die Anwendungsmöglichkeiten durch optimierte Expressionssysteme und Verwendung fluoreszierender Proteine mit anderen Eigenschaften zu verbessern. Wir stellen das Material der Community dafür nun zur Verfügung“, so Jürgens. Da das Interesse an dem neuen Sensor sehr groß ist, ist damit zu rechnen, dass verbesserte Varianten von AuxSen in den nächsten Jahren eingesetzt werden, um die vielfältigen Auxin-regulierten Prozesse in Pflanzen noch besser analysieren zu können.

Originalveröffentlichung:

Ole Herud-Sikimić et al. A biosensor for the direct visualization of auxin. Nature (2021)
www.nature.com/articles/s41586-021-03425-2

Wissenschaftliche Kontakte:

Prof. Dr. Gerd Jürgens
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
Telefon: +49 (0) 7071 / 601-1309 oder +49 (0) 7071 / 29-78887
E-Mail: gerd.juergens@tuebingen.mpg.de oder gerd.juergens(at)zmbp.uni-tuebingen.de

Prof. Dr. Birte Höcker
Biochemie III – Protein Design
Universität Bayreuth
Telefon: +49 (0) 921 / 55-7845
E-Mail: birte.hoecker@uni-bayreuth.de