Pflanzenstress: Signalnetzwerke mal anders

Das Molekül cAMP, das in tierischen Zellen essenzielle Funktionen erfüllt, ist in Pflanzen deutlich weniger erforscht. In einer neuen Studie in Science Advances zeigen Wissenschafter:innen am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), dass Pflanzen zwei Formen von cAMP parallel einsetzen, um normale Zellprozesse zu regulieren und auf Stress zu reagieren – wobei die Signalwege auch miteinander kommunizieren. Letztlich könnten die Erkenntnisse dazu beitragen, die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Nutzpflanzen in einem sich rasch verändernden Klima zu verbessern.

Pflanzen können Gefahren nicht entkommen. Um Stressfaktoren wie Hitze, Frost, Überflutung, Trockenheit oder Infektionen zu bewältigen, verlassen sie sich auf biologische Mechanismen, die sich über Millionen von Jahren entwickelt haben.

Verschiedene Lebensformen stehen in ihren natürlichen Umgebungen vor unterschiedlichen Herausforderungen, was zur Entwicklung spezieller biologischer Prozesse geführt hat. Obwohl Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen viele molekulare Mechanismen gemeinsam haben, lassen sich Erkenntnisse aus Tiermodellen oft nicht direkt auf andere Organismengruppen übertragen.

Zyklisches Adenosinmonophosphat, kurz cAMP, ist ein grundlegendes Signalmolekül, das in Tier‑ wie auch in Pflanzenzellen wichtige Funktionen erfüllt. Seine Bildung und Rolle in Säugetierzellen sind zwar gut verstanden, doch seine Aufgaben in Pflanzen sind weitgehend unbekannt.

Nun haben ISTA Alum Mingyue Li und Professor Jiří Friml vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gemeinsam mit Wissenschafter:innen aus Deutschland, Saudi‑Arabien, Tschechien und den USA untersucht, wie cAMP im Pflanzenmodell Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wirkt.

Zwillingsmoleküle mit unterschiedlichen, aber teilweise überlappenden Eigenschaften

In tierischen Systemen ist die Hauptform von cAMP, das sogenannte 3’,5’-cAMP, an der Signalübertragung zwischen Nervenzellen, an Hormonsignalen sowie an der Regulation des Stoffwechsels beteiligt. Diese vorherrschende Form wird aus der ‚Energiewährung‘ der Zelle, dem ATP, gebildet.

cAMP besitzt jedoch ein ‚Zwillingsmolekül‘ – mit derselben chemischen Formel, aber einer anderen Bindungsstruktur. Konkret ist dabei die Phosphatgruppe an einer anderen Stelle des Adenosin-Moleküls befestigt. Diese zweite Form, 2’,3’-cAMP genannt, steht im Zusammenhang mit dem Abbau von RNA und der Antwort auf Stressfaktoren. In Säugetierzellen werden ihre Konzentrationen streng kontrolliert, da übermäßige Mengen möglicherweise toxisch wirken können.

Li, Friml und ihre Kolleg:innen zeigen nun, dass in Pflanzen beide Formen von cAMP vorkommen, die Menge von 2’,3’-cAMP – also der „zweiten“ Form – jedoch mehr als 60‑mal höher ist als jene von 3’,5’-cAMP, der dominanten Form in Tieren.

Mithilfe einer Reihe molekular‑ und zellbiologischer Methoden konnten die Forschenden nachweisen, dass die beiden cAMP‑Formen weitgehend unterschiedliche Funktionen im Pflanzenstoffwechsel sowie in der Protein‑ und Genregulation erfüllen. Während 3’,5’-cAMP offenbar Reaktionen im Zusammenhang mit Wachstum, Erhaltungsprozessen, Nährstoffstatus und normaler Zellfunktion feinabstimmt, löst 2’,3’-cAMP wesentlich breitere Effekte aus – etwa die Aktivierung spezieller Stoffwechselwege und umfassender Stressreaktionen. Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass sich diese Funktionen teilweise überschneiden, was darauf hinweist, dass Pflanzen eigene Mechanismen entwickelt haben, um sich an Umweltbedingungen anzupassen.

Miteinander kommunizierende Signalwege

Zwei parallele, aber miteinander verknüpfte cAMP‑Signalwege könnten es Pflanzen ermöglichen, die zelluläre Regulation präzise abzustimmen und zwischen verschiedenen äußeren Reizen, einschließlich Stressfaktoren, zu unterscheiden. Der Austausch zwischen den Signalwegen schafft eine gewisse Redundanz: Wenn einer ausfällt, kann der andere kompensieren – und so eine robustere Reaktion auf eine größere Bandbreite an Umweltbedingungen gewährleisten.

Letztlich könnte ein besseres Verständnis darüber, wie Pflanzen Stress und grundlegende Zellfunktionen regulieren, dazu beitragen, die Produktivität und Klimaresistenz von Nutzpflanzen zu steigern.

Publikation:

Mingyue Li, Monika Chodasiewicz, Malavika Muraleedharan, Israel M. Lopez, Michal Gorka, Olga Kerber, Saqer S. Alotaibi, Andrew DL Nelson, Rene Lenobel, Jaroslava Friedecká, Aleksandra Skirycz, and Jiří Friml. 2026. Biogenesis and downstream effects of 3’,5’ and 2’,3’ cAMP isomers in plants. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.aea7828

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Horizon 2020‑Programms der Europäischen Union (101142681 CYNIPS), dem Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF; P 37051‑B), dem Taif University Researchers Supporting Project: TURSP‑HC2022/02 und der Max‑Planck‑Gesellschaft finanziert.