Germany
July 1, 2020
Researchers at Helmholtz Zentrum München and Ludwig-Maximilians-University (LMU) mapped the signaling network in plants and discovered novel insights about how plants process information about their environment. This gives new potential to strategies to protect crops and help them thrive in the time of increasing droughts.
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Plants must constantly integrate information on the availability of water and nutrients or about the presence of pathogens to produce fruits and seeds for reproduction, heavily used for human consumption. Given the increasing threat of droughts and the requirements of sustainable plant protection it is important to better understand the molecular mechanisms behind the information processing of plants. So far, different plant hormones were known to trigger molecular signaling pathways that result in developmental transitions like fruit ripening or drought response. While the signaling pathways are well studied, it remained enigmatic how the information exchange between them exactly works.
Hundreds of new information exchange points identified
A team at the Institute of Network Biology at Helmholtz Zentrum München with the participation of LMU biologists charted the molecular protein network of plants by experimentally testing more than 17 million protein pairs for physical interactions using a next-gen robotics pipeline combined with latest bioinformatics methods. The network of more than 2,000 observed protein interactions was analyzed using bioinformatic mathematical approaches form statistics and graph theory to find the signaling pathways and potential information exchange points. This way the researchers identified hundreds of these points which were not known before.
Most proteins function in multiple signaling pathways
Next, by using genetic tests, they could show that all tested information exchange points between proteins that were thought to function in single signaling pathways, in fact, organize the communication between different pathways. “This was one of the most striking new insights from this study: Most proteins function in multiple signaling pathways. Moreover, in contrast to single-gene analyses, our results revealed the high degree in which different pathways are physically and functionally intertwined. We believe that this is a fundamental principle and we need to pay more attention to it”, says Dr. Melina Altmann, first-author of the study.
Future-proof plants
Prof. Pascal Falter-Braun, Director at the Institute of Network Biology and professor at LMU adds: “This insight might open new strategies for biotechnological development or breeding of plants to address the challenges of climate change in farming. We might be able to redirect the information in crops such that the plants require less fertilizer or pesticides or are more resistant against droughts.”
Funding and collaboration
The finding builds on long-term research at the Institute of Network Biology on understanding molecular networks in plants and humans. The project was funded by the DFG via SFB924 “Molecular mechanisms regulating yield and yield stability in plants” and by an ERC consolidator grant awarded to Prof. Pascal Falter-Braun. For this study, the group collaborated with groups from the School of Life Science at the Technical University of Munich (TUM), colleagues from the Department of Environmental Sciences at the Helmholtz Zentrum München, and the University of Warwick, UK.
Original publication
Altmann & Altmann et al., 2020: Extensive signal integration by the phytohormone protein network. Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2460-0
Überlebenswichtige Signale: So verarbeiten Pflanzen Informationen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) haben das Signalnetzwerk in Pflanzen kartiert und neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Pflanzen Informationen über ihre Umwelt verarbeiten. Die Forschenden sehen darin auch Potential für neue Strategien um beispielsweise Nutzpflanzen besser vor zunehmender Dürre schützen zu können.
Pflanzen verarbeiten kontinuierlich Informationen über die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen oder über mögliche Krankheitserreger, um Samen und Früchte für die Fortpflanzung zu produzieren, die die Grundlage für die Ernährung des Menschen darstellen. Damit wir Pflanzen nachhaltiger vor zunehmenden Dürreperioden schützen können, ist ein besseres Verständnis über die molekularen Mechanismen hinter deren Informationsverarbeitung entscheidend. Forschende wissen bereits viel über die Signalwege selbst – beispielsweise, dass Pflanzenhormone molekulare Signalwege auslösen, die die Entwicklung der Pflanze steuern aber auch für Stressreaktionen, beispielsweise aufgrund von Dürre oder Schädlingsbefall verantwortlich sind. Wie der Informationsaustausch zwischen diesen Signalwegen genau abläuft, war jedoch nicht bekannt.
Hunderte neue Knotenpunkte für den Informationsaustausch identifiziert
Eine Forschungsgruppe des Instituts für Netzwerkbiologie des Helmholtz Zentrums München hat unter Beteiligung von LMU-Biologen das molekulare Proteinnetzwerk von Pflanzen systematisch kartographiert, indem es mehr als 17 Millionen Proteinpaare experimentell auf wechselseitige Interaktionen prüfte. Dafür setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine moderne robotergestützte Pipeline in Kombination mit Methoden der Bioinformatik ein. Sie analysierten das so kartographierte Netzwerk aus mehr als 2.000 beobachteten Interaktionen zwischen Proteinen mit Hilfe bioinformatischer und mathematischer Ansätze aus Statistik und Graphentheorie, um Signalwege und deren potenzielle Informationsknotenpunkte zu finden. Letztendlich konnte das Team hunderte vorher unbekannter Informationsknotenpunkte in den Pflanzen identifizieren.
Die meisten Proteine erfüllen Aufgaben in mehreren Signalwegen
Durch genetische Experimente konnte die Gruppe zeigen, dass alle getesteten Interaktionen zwischen Proteinen, von denen man bisher annahm, dass sie nur Teil eines einzigen Signalweges sind, tatsächlich die Kommunikation zwischen verschiedenen Signalwegen regeln. „Das ist eines der erstaunlichsten Erkenntnisse aus dieser Studie: Die meisten Proteine fungieren in mehreren Signalwegen. Im Gegensatz zu Studien, die ein oder wenige Proteine untersuchen, zeigen unsere Ergebnisse, zu welch hohem Grad die verschiedenen Signalwege physisch und funktionell miteinander verflochten sind. Wir glauben, dass wir damit eine grundlegende Funktionsweise entdeckt haben, der wir unbedingt weitere Aufmerksamkeit schenken müssen“, sagt Dr. Melina Altmann, Erstautorin der Studie.
Mit Biotechnologie zu neuen Pflanzen
Prof. Pascal Falter-Braun, Direktor des Instituts für Netzwerkbiologie und Lehrstuhlinhaber an der LMU, fügt hinzu: „Diese Erkenntnis könnte zu neuen Strategien für die biotechnologische Entwicklung oder Züchtung von Pflanzen führen, um den Herausforderungen des Klimawandels in der Landwirtschaft zu begegnen. In Zukunft könnten wir beispielsweise versuchen, die Informationsverarbeitung von Nutzpflanzen gezielt so zu verändern, dass die Pflanzen weniger Dünger und Pestizide benötigen oder resistenter gegen Dürreperioden sind.“
Finanzierung und Kooperationen
Diese Ergebnisse sind das Resultat langjähriger Forschungsarbeiten des Instituts für Netzwerkbiologie zum Verständnis molekularer Netzwerke bei Pflanzen und Menschen. Dieses Projekt wurde im Rahmen des DFG geförderten SFB924 „Molekulare Mechanismen zur Regulierung von Ertrag und Ertragsstabilität in Pflanzen“ und eines ERC Consolidator Grants an Prof. Pascal Falter-Braun, durchgeführt. Für diese Studie kooperierte das Institut mit Gruppen der School of Life Sciences der Technischen Universität München (TUM), dem Department of Environmental Sciences des Helmholtz Zentrums München und der University of Warwick in Großbritannien.
Originalpublikation
Altmann & Altmann et al., 2020: Extensive signal integration by the phytohormone protein network. Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2460-0
Topics
Species
