KÖNNEN NÄHRSTOFFE UNTER ABIOTISCHEN STRESSBEDINGUNGEN BEI PFLANZEN ALS SIGNALE WIRKEN?

Signalmoleküle. Pflanzenzellen stehen in ständiger Kommunikation miteinander. Dies ist notwendig, um die Prozesse ihrer Entwicklung und ihre Reaktionen auf Umweltfaktoren zu koordinieren. Unter stressigen Bedingungen ermöglicht diese Kommunikation den Pflanzenzellen, ihre Aktivität und Entwicklung anzupassen. Dies ist auf die Aktivität der interzellulären Signalübertragung zurückzuführen, die mehrere Komponenten umfasst.

In der Pflanzenentwicklung wird die Signalübertragung zwischen den Zellen durch mobile Signalhormone sichergestellt. Dazu gehören Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Stickstoffmonoxid (NO) oder Schwefelwasserstoff (H₂S). Mehrere Transkriptionsfaktoren und kleine RNAs sind ebenfalls an diesem Prozess beteiligt.

Mineralische Nährstoffe, einschließlich Makro- und Mikronährstoffe, sind entscheidende Faktoren für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Sie sind als potenzielle Signalmoleküle anerkannt.

Ziel dieses Artikels ist es, die Rolle der Nährstoffe als Signalkomponenten zu bewerten. Besonderes Augenmerk wird auf die Mechanismen der Reaktion auf pflanzliche Stressbedingungen gelegt.

In ihrem natürlichen Lebensraum sind die Pflanzen zahlreichen Umweltbelastungen ausgesetzt. Dazu gehören Bodenversalzung, Nährstoffmangel, Trockenheit, extreme Temperaturen und die Belastung durch Schwermetalle. Da sich Pflanzen nicht fortbewegen können, müssen sie über wirksame Strategien verfügen, um widrige Bedingungen zu bekämpfen und ihnen zu widerstehen.

Die Fähigkeit einer Pflanze, unter ungünstigen klimatischen Bedingungen zu überleben, hängt von ihrer schnellen Reaktion ab. Sie muss den schädlichen Auswirkungen von Stress sofort entgegenwirken.

Es ist bekannt, dass abiotischer Stress durch eine Vielzahl von Reizen ausgelöst wird, die von Signalmolekülen wahrgenommen werden. Dazu gehören:

1. Wasserstoffperoxid (H₂O₂).
2. Stickstoffoxid (NO).
3. Schwefelwasserstoff (H₂S).
4. Melatonin oder Phytohormone.

Sie sind eine frühzeitige Reaktion auf Umweltbelastungen.

Pflanzen können in jedem Entwicklungsstadium Signale spüren und wahrnehmen. Jeder abiotische Stressfaktor wird in das Zytosol (den flüssigen Inhalt der Zelle) übertragen. Dies führt zu einer erhöhten Genexpression und Proteinsynthese.

Auf diese Weise aktivieren Pflanzen frühzeitige Stresssignalisierungsmechanismen. Dies geschieht innerhalb von Sekunden bis Stunden. Infolgedessen werden sie tolerant gegenüber Stress.

Bei der Reaktion der Pflanze auf Stress gibt es drei Hauptphasen:
– Wahrnehmung von ungünstigen Umweltbedingungen (extrazelluläre Signale),

– die Signalübertragung

– und schließlich die Ausbildung einer angemessenen Reaktion.

In der Tat wird Stress in verschiedenen Zellorganellen wahrgenommen, woraufhin mehrere Signalereignisse folgen, an denen sekundäre Botenstoffe und regulatorische Proteine wie Proteinkinasen beteiligt sind. Als Reaktion auf äußere Reize wird eine Kaskade der Proteinphosphorylierung in Gang gesetzt, und es kommt zu zahlreichen Veränderungen in der Gentranskription, die zur Synthese neuer Proteine oder zur Veränderung bestehender Proteine führen, die für die Reaktion der Pflanzen auf Stress entscheidend sind.

Zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um die Reaktion von Pflanzen auf Makro- oder Mikronährstoffmangel zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten Veränderungen der Wachstumsparameter und die Induktion von Mechanismen, die an der Produktion der einzelnen Elemente beteiligt sind. Zu diesen Mechanismen gehören im Allgemeinen die Regulierung des Nährstoffflusses durch die Plasmamembran und die Wechselwirkung zwischen den Hormonen H₂O₂ und NO. Schließlich ist ihre Beteiligung an der Übertragung von abiotischen Stresssignalen in Pflanzen weniger beachtet worden, mit Ausnahme des Kalziumelements.

Das bekannteste Beispiel ist immer noch die Kalziumsignalisierung. Nur wenige Studien haben gezeigt, dass Makro- und Mikronährstoffe zusätzlich zur Pflanzenernährung als Signale wirken können, um die Reaktion der Pflanzen auf abiotischen Stress zu aktivieren. Diese doppelte Rolle der Nährstoffe erklärt sich aus ihrer Fähigkeit, als Hauptschalter des pflanzlichen Stoffwechsels bei ungünstigen Umweltbedingungen zu fungieren. Veränderungen in der Konzentration bestimmter Elemente, wie Ca²⁺, K⁺, N und andere, führen zu Anpassungen im zellulären Stoffwechsel. Dies wirkt sich auf die Expression vieler Gene und die Aktivität zahlreicher Enzyme aus und ermöglicht es den Pflanzenzellen, einen großen Teil der Energie in Abwehrreaktionen umzuleiten.

Bei abiotischem Stress ist die Fähigkeit einer Pflanze und ihre Effizienz, mehrere Stoffwechselnetzwerke aufzubauen oder zu aktivieren, ein entscheidender Faktor für ihre Akklimatisierung und ihr Überleben. Diese Anpassungsreaktion umfasst die Kommunikation zwischen Wurzel und Spross sowie zwischen Spross und Wurzel. Dabei werden verschiedene Signalmoleküle über große Entfernungen übertragen, darunter Nährstoffe, Hormone, Assimilate und Peptide. Beispielsweise lösen Wurzeln, die Salz ausgesetzt sind, eine systemische Fernwelle aus, indem sie das zytosolische Ca²⁺ durch die Entodermis (die innere Zellschicht der Wurzel und einiger Stämme, die das Gefäßbündel umgibt) und die Rinde erhöhen. Dies führt dazu, dass der Spross die Gene SOS1 (salt-sensitive 1), SOS2 und CBL (calcineurin B-like protein) überexprimiert.

Die Liste der häufigsten Signalmoleküle muss also um Mineralstoffe ergänzt werden. Dazu gehören Hormone, NO, H₂S oder H₂O₂. Aufgrund ihrer Doppelrolle als Pflanzenernährungs- und Signalmoleküle bei biotischem und abiotischem Stress sind Nährstoffe in der Pflanzenbiologie von wesentlicher Bedeutung.