Stammzellkontrolle bei Pflanzen: Ein Gen führt Regie

Pflanzen müssen, um die eigene Fortpflanzung zu sichern, die Zahl ihrer Stammzellen genau ausbalancieren. Das für diese Aufgabe wichtigste Gen haben Forscher aus Heidelberg, Tübingen und Santa Fe (Argentinien) bei Experimenten an einem Modellorganismus der Biologie, der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, detailliert untersucht.

Das Team um Prof. Dr. Jan Lohmann von der Universität Heidelberg konnte zeigen, wie dieser „Regisseur“ arbeitet und welche anderen molekularen Akteure von ihm beeinflusst werden. Dabei sind auch überraschende Gemeinsamkeiten mit der Stammzellkontrolle bei Tieren zutage getreten. Die Forschungsergebnisse werden heute in „Developmental Cell“ veröffentlicht.

Im Fokus der Arbeiten stand ein als „Wuschel“ bezeichnetes Steuerungsgen, dessen entscheidende Bedeutung für die Stammzellkontrolle bereits vor 14 Jahren entdeckt wurde. „Wuschel ist der zentrale Schalter, über den Pflanzen die Anzahl ihrer Stammzellen regulieren“, erläutert Prof. Lohmann, der die Abteilung für Stammzellbiologie an der Universität Heidelberg leitet. Die Biologen konnten nun fast 700 Gene ausmachen, deren Aktivität von Wuschel abhängt. Rund 130 davon stehen offenbar direkt unter der Kontrolle dieses zentralen Schalters: Als sogenannter Transkriptionsfaktor heftet sich Wuschel an regulatorische Bereiche der DNA, die diese Gene direkt anschalten oder stilllegen können. Dabei handelt es sich vor allem um Gene, die für den Stoffwechsel der Pflanze, für ihre Entwicklung und für ihren Hormonhaushalt zuständig sind.

Diese Aufgabenverteilung bestätigt zunächst das bisherige Bild der pflanzlichen Stammzellkontrolle. „Es ist bekannt, dass neben genetischen Faktoren auch wachstumsfördernde Hormone wie Auxin und Cytokinin daran mitwirken, die Zahl der Stammzellen zu regulieren“, sagt Prof. Lohmann. Die Heidelberger Experimente, die in das Exzellenzcluster „Cellular Networks“ der Ruperto Carola eingebunden sind, bieten jedoch auch eine Vielzahl neuer Einblicke. So hat sich gezeigt, dass Wuschel nicht nur – wie bereits nachgewiesen – die Aktivität von Cytokinin beeinflusst, sondern auch auf den zweiten hormonellen Hauptakteur, Auxin, einwirkt. Eine wesentliche Aufgabe des Wuschel-Gens besteht demnach darin, die feine Balance zwischen diesen beiden Hormonen in der Sprossspitze der Pflanzen aufrechtzuerhalten.

Mit ihrer Arbeit weisen die Heidelberger Biologen dem Wuschel-Gen eine klare Rolle zu: In den Wachstumszonen der Pflanze stimmt es die Wirkung frei zirkulierender Hormone so auf die lokalen Bedürfnisse ab, dass Stammzellen gedeihen können. „Erst solche Mechanismen machen es möglich, dass ein und dasselbe Hormon in verschiedenen Geweben unterschiedliche Wirkungen entfaltet“, sagt Jan Lohmann. Die umfangreiche Analyse hat auch gezeigt, dass Wuschel ähnlich arbeitet wie tierische Transkriptionsfaktoren, die an der Entstehung und Erneuerung von Stammzellen beteiligt sind. Dabei nutzt das Steuerungsgen teilweise auch identische DNA-Bereiche als Ankerpunkt. „Die Mechanismen der Stammzellkontrolle sind ähnlicher als wir gedacht haben“, betont Prof. Lohmann.

Originalveröffentlichung:
W. Busch, A. Miotk, F.D. Ariel, Z. Zhao, J. Forner, G. Daum, T. Suzaki, C. Schuster, S.J. Schultheiss, A. Leibfried, S. Haubeiß, N. Ha, R.L. Chan, and J.U. Lohmann: Transcriptional Control of a Plant Stem Cell Niche, Developmental Cell 18, 849-861, May 18, 2010, doi:10.1016/j.devcel.2010.03.012
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