Wie im Embryo von Pflanzen oben und unten festgelegt wird

Tübinger Entwicklungsgenetiker veröffentlichen Forschungsergebnisse in „Nature“

Wie bei Mensch und Tier wird auch bei Pflanzen während der Entwicklung des Embryos aus einer befruchteten Eizelle die Hauptkörperachse festgelegt. Bei Tieren verbindet diese Achse Kopf und Hinterende, bei Pflanzen Spross und Wurzel. Für manche Tiere wie z.B. Drosophila weiß man seit langem, wie die Achse entsteht (u.a. durch Untersuchungen von Christiane Nüsslein-Volhard), für Pflanzen gab es bis vor kurzem keine klaren Vorstellungen darüber. Man kannte Signalmoleküle bei Pflanzen, darunter das Wachstumshormon Auxin, das gerichtet in der Pflanze transportiert wird und an verschiedenen Wachstumsvorgängen beteiligt ist. Auch gab es Hinweise darauf, dass Auxin in Embryonen vorkommen könnte. Jedoch war bislang seine Rolle bei der Embryoentwicklung ungeklärt.

Tübinger Biologen um Prof. Gerd Jürgens und Dr. Jiri Friml vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen der Universität Tübingen haben nun herausgefunden, wie die Hauptkörperachse im jungen Embryo festgelegt wird und welche Rolle Auxin dabei spielt. Ihre Forschungsergebnisse, die gemeinsam mit Wissenschaftlern von der Universität Leiden, Niederlande, und vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen gewonnen wurden, werden in der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature (Band 426, Heft 6963) veröffentlicht.

Wenn die befruchtete Eizelle sich teilt, entstehen eine kleine obere Zelle und eine große untere Zelle. Schon in diesem frühen Entwicklungsstadium konnten die Forscher festellen, dass sich Auxin in der oberen Zelle ansammelt. Hier bewirkt Auxin, dass der zukünftige „Kopf“ der Pflanze festgelegt wird. Wenn sich die obere Zelle mehrere Male geteilt hat, muss am unteren Ende des kugelförmigen Embryos die zukünftige Wurzel entstehen. Zu diesem Zeitpunkt sammelt sich Auxin am unteren Ende und gibt damit das Signal für die Wurzelbildung. Damit ist die Spross-Wurzel-Achse im Embryo festgelegt.

Wodurch sammelt sich Auxin nun ganz früh in der kleinen oberen Zelle an und später am unteren Ende des Embryos? Ein erster Hinweis darauf, dass ein gerichteter Transport von Auxin daran beteiligt ist, ergab sich aus bestimmten Mutanten, die Probleme haben, die Achse im Embryo zu bilden. Diese „gnom“ Mutanten können ein bestimmtes Protein nicht bilden, das für die polare Ansammlung eines Auxin-Transporters in der äußeren Zellmembran benötigt wird. Der Auxin-Transporter wechselt dauernd zwischen internen Abteilen in der Zelle und der äußeren Zellmembran. Anfang dieses Jahres konnten die Tübinger Biologen nachweisen, dass das GNOM Protein nicht nur für das Zurückführen des Auxin-Transporters zur äußeren Zellmembran, sondern auch für den gerichteten Transport von Auxin notwendig ist (veröffentlicht in der Fachzeitschrift Cell (Band 112, Heft 2).

In der jetzigen Arbeit wurde nachgewiesen, dass die Hemmung des Auxin-Transports im jungen Embryo Störungen bei der Achsenbildung wie in den „gnom“ Mutanten verursacht. Wird der Transport ganz früh gehemmt, sammelt sich Auxin in der unteren Zelle an und gelangt nicht in die kleine obere Zelle. Später führt die Hemmung dazu, dass Auxin sich am oberen Ende des Embryos ansammelt, anstatt an das untere Ende zu gelangen. Es gibt also zwei Auxin-Flüsse während der Achsenbildung im Embryo: früh von unten nach oben, später von oben nach unten. Damit sind die Enden der Achse festgelegt. Zusätzlich wurde ein neuer Auxin-Transporter identifiziert, der den frühen Transport von unten nach oben vermittelt. Er ist dafür genau richtig positioniert in der äußeren Zellmembran der größeren unteren Zelle an der Grenze zur kleinen oberen Zelle. Die neuen Befunde zeigen erstmals, wie im jungen Pflanzenembryo die Hauptkörperachse entsteht. Sie machen auch deutlich, dass der Mechanismus ganz anders ist als bei Tieren. Das ist nicht weiter verwunderlich, da Pflanzen und Tiere schon früh in der Evolution getrennt aus einzelligen Lebewesen hervorgegangen sind.

Die Arbeitsgruppen von Prof. Gerd Jürgens und Dr. Jiri Friml zielen mit ihren Forschungen an der Modellpflanze der Genetiker, der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), darauf ab, grundsätzliche Mechanismen in der Entwicklung von Pflanzen aufzuklären.

Nähere Informationen:

ZMBP, Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen
Entwicklungsgenetik
Auf der Morgenstelle 3, 72076 Tübingen
Prof. Gerd Jürgens, Tel. 07071-29-78887
Dr. Jiri Friml, Tel. 07071-29-78889