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18.03.10 Monopteros und seine Zielgene steuern Wurzelbildung

Wie die Pflanze Wurzeln schlägt

Tübinger Entwicklungsgenetiker erforschen die Organentwicklung im Pflanzenembryo

Am Anfang ist die befruchtete Eizelle. Aus ihr entwickelt sich nach vielen Zellteilungen ein komplexer Organismus mit verschiedenen Organen und Geweben. Erstaunlich und immer noch weitgehend ungeklärt ist dabei, woher die Zellen "wissen", zu welchen Organen sie sich später entwickeln sollen. Wissenschaftler vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen und der Universität Wageningen haben zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie erforscht, wie dieser Prozess gesteuert wird. An Hand der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana konnten sie zeigen, wie die Pflanze ihre erste Wurzel bildet: Bereits im winzigen Zellhaufen im Samen aktiviert eine Kombination aus einem Pflanzenhormon, einem Steuerungsfaktor und zwei weiteren Proteinen die Wurzelgründungszelle. Diese Erkenntnisse könnten in Zukunft dazu beitragen, Pflanzen zu züchten, die ein besonders leistungsfähiges Wurzelsystem aufweisen.

Abb. 1: Ein etwa eine Woche alter Samen der Ackerschmalwand mit Embryo.
Quelle: Martin Bayer, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Im Samen der Ackerschmalwand bildet sich der Embryo aus der befruchten Eizelle, die sich zunächst in zwei Tochterzellen teilt. Eine der beiden Zellen bildet später fast den gesamten Embryo, während die andere ein Verbindungsgewebe hervorbringt, das den Embryo im Nährgewebe verankert. Ist der Embryo zu einem kleinen Zellknäuel herangewachsen, wird die an den Embryo angrenzende Zelle des Verbindungsgewebes durch aktivierende Signale dazu gebracht, Teil des Embryos zu werden und das Wurzelgewebe zu gründen. Die Wissenschaftler haben diese Abläufe unter der Leitung von Gerd Jürgens und Dolf Weijers im Detail untersucht und konnten etliche der Mitspieler in einem komplizierten Regulierungsgeflecht identifizieren.

Abb. 2: Ein unreifer Samen der Ackerschmalwand etwa 24 Stunden nach der Bestäubung. Im Samen ist ein Embryo nach der ersten Zellteilung zu erkennen. Gelb eingefärbt ist die Zelle, die später den oberirdischen Teil der Pflanze bildet. Die Zelle, die das Verbindungsgewebe und später teilweise die Wurzel bildet ist in blau dargestellt.
Quelle: Martin Bayer, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Die Ausbildung des Wurzelgewebes hängt zum einen von der Anhäufung des Pflanzenhormons Indol-3-Essigsäure (IAA, indole-3-acetic acid) ab, das vom Embryo zur Wurzelgründungszelle gelenkt wird. Verstärkt wird dieser Vorgang durch den Steuerungsfaktor Monopteros. Doch das allein reicht nicht aus.

Abb. 3: Indol-3-Essigsäure (CAS: 87-51-4) - das wirkungsstärkste Auxin (Pflanzenhormon)

Die Forscher folgerten, dass Monopteros gezielt weitere Gene aktivieren muss. Bei einer umfassenden Erhebung aller von Monopteros aktivierten Gene fanden sie zwei Gene, die bereits während der Embryonalentwicklung eine Rolle spielen: TMO5 und TMO7 (TMO = Target of Monopteros). Beide sind notwendig, damit sich das Wurzelgewebe ausbilden kann. Das vom TMO7-Gen gebildete Protein muss dazu vom Ort seines Entstehens im Embryo in die Wurzelgründungszelle wandern. "Mit TM07 haben wir ein bislang unbekanntes interzelluläres Signal für die Wurzelbildung im Embryo gefunden", sagt Gerd Jürgens. Die detektivische Suche im Genetiklabor der Pflanzenforscher wird damit nicht beendet sein. "Da der Steuerungsfaktor TM07 in weitere Regulierungsgeflechte der Pflanzenentwicklung eingebunden ist, hält er sicherlich noch andere Erkenntnisse für uns bereit", so Jürgens.

Abb. 4: Embryo der Ackerschmalwand. Grün markiert sind Zellen, die auf das Pflanzenhormon IAA reagieren und später die Wurzel bilden.
Quelle: Martin Bayer, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Quelle:

MONOPTEROS controls embryonic root initiation by regulating a mobile transcription factor.
A. Schlereth, et. al., Nature 2010, DOI: 10.1038/nature08836

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Monopteros und seine Zielgene steuern Wurzelbildung
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/mae/morphin.shtm)

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