Montag, 30.03.2020 08:25 Uhr

Der innere Dialog im Samenkorn

Verantwortlicher Autor: Julia Barthold Universität Hohenheim, Stuttgart, 25.01.2020, 16:13 Uhr
Presse-Ressort von: Julia Barthold Bericht 9694x gelesen
Arabidopsis-Keimling
Arabidopsis-Keimling  Bild: Universität Hohenheim, Pressebild

Universität Hohenheim, Stuttgart [ENA] Das kleine Wunder, das sich unsichtbar im Inneren von Pflanzensamen abspielt, wenn Leben entsteht, ist auch in der Forschung noch weitgehend unbekanntes Terrain. Erstaunlicherweise verbergen sich nämlich in jedem Samenkorn zwei genetisch verschiedene Organismen, die miteinander kommunizieren müssen.

Dieser Aufbau hat mit dem besonderen Fortpflanzungsweg der Blütenpflanzen zu tun. Die Kommunikation des Embryos und des ihn umgebenden Endosperms geschieht mittels Peptidhormonen, und damit grundlegend anders als die meisten bisher erforschten Steuerungsmechanismen von Pflanzen. Eine internationale Kooperation von Pflanzenbiologen, unter Beteiligung der Universität Hohenheim in Stuttgart, der Universitäten Genf, Lausanne und federführend der Universität Lyon, entschlüsselt nun dieses Rätsel des inneren molekularen Dialogs des Samens, also der Aufklärung des Steuerungsmechanismus der Keimung durch Peptidhormone.

Eine der entscheidendsten Anpassungen der Pflanzen, im Lauf der Evolution, war die Ausbildung der Cuticula, einer hauchdünnen, wachsähnlichen Schutzschicht mit wasserabweisenden Eigenschaften. Sie hilft dabei, übermäßige, unkontrollierte Verdunstung zu verhindern und somit Blätter und weitere Pflanzenteile vor dem Austrocknen zu schützen. Nur mit diesem Trick konnten die Pflanzen auch außerhalb des Wassers Lebensräume erobern. Die Cuticula wird bereits im Inneren des Samens ausgebildet und ist selbst hier schon wichtig, denn sie grenzt den Embryo, aus dem später der Keimling wird, von dem ihn umhüllenden Nährgewebe ab, dem sogenannten Endosperm.

Ein Samen, aber doch zwei Organismen

„Bemerkenswert ist, dass es sich bei dem Embryo und dem Endosperm genetisch um zwei verschiedene Organismen handelt. Dies hat mit dem besonderen Fortpflanzungsweg der Blütenpflanzen zu tun. Anders als bei Tieren findet hierbei nicht nur ein Befruchtungsereignis statt, sondern zwei“, erklärt Prof. Dr. Andreas Schaller, Leiter des Fachgebiets Physiologie und Biochemie der Pflanzen an der Universität Hohenheim.

Das Geheimnis der pflanzlichen Peptidhormone

„Aus pflanzenbiologischer Sicht besonders interessant ist, dass die Bildung der Cuticula durch ein Peptidhormon gesteuert wird. Peptidhormone unterscheiden sich grundlegend von den klassischen Pflanzenhormonen, die schon lange bekannt sind. Eine wichtige Eigenschaft von Peptidhormonen ist, dass sie als inaktive Vorstufen gebildet werden und daher zuerst durch andere Enzyme aktiviert werden müssen bevor sie ihre Wirkung entfalten können.

Dünnschnittpräparat eines Samnkorns unter dem Lichtmikroskop

Erst wenn das Peptid (= kleines Eiweißmolekül) sozusagen passend ‚zurechtgeschnitten‘ ist, passt es auf den zugehörigen Rezeptor und löst damit eine bestimmte Reaktion aus. Erst in den letzten Jahren wurde entdeckt, welche wichtige Rolle Peptidhormone für viele Regelungsprozesse in der Pflanze spielen – von der Befruchtung bis zum Abwurf der Blätter. Unserem Forschungsteam ist es nun gelungen, einen solchen Signalweg vollständig aufzuklären“, so die drei Hohenheimer Co-Autoren der aktuellen Science-Publikation, Prof. Dr. Schaller mit Dr. Annick Stintzi und Stefanie Royek.

Der molekulare Dialog

Damit im Samen die Cuticula ausgebildet wird, bedarf es aktiver Signalprozesse. Der Embryo bildet eine inaktive Vorstufe des Peptidhormons TWS1. Das Enzym ALE1, mit dem dieses Peptidhormon TWS1 aktiviert wird, wird allerdings im benachbarten Endosperm produziert. Anfangs ist die Schutzschicht des Embryos noch durchlässig und so können die inaktiven Peptidhormone ungehindert hindurch, ins benachbarte Endosperm wandern.

Dort werden sie dann durch das oben genannte Enzym ALE1 aktiviert und kehren anschließend wieder zurück zum Embryo, wo sie an ihre zugehörigen Rezeptoren andocken. Durch das Andocken löst dieser Rezeptor dann die Bildung von Cuticula-Bestandteilen aus. Dies Cuticula-Bestandteile dichten die Schutzschicht des Embryos nach und nach immer weiter ab, und wird dadurch immer undurchlässiger bis hin zur molekularen Barriere.

„Am Ende ist eine Diffusion zwischen Embryo und Endosperm nicht mehr möglich – das heißt also, das Peptid kann nicht mehr zum aktivierenden Enzym gelangen, und schon aktivierte Peptidhormone können nicht mehr zurück zum Embryo. Die Rezeptoren werden also nicht mehr aktiviert und die Cuticula-Synthese stoppt. Der Embryo ist nun geschützt und zur Keimung bereit“, sagt Prof. Dr. Schaller.

Die Forschungsergebnisse veröffentlichten die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der internationalen Kooperation in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science: ***https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaz4131*** (Bitte kopieren Sie dazu den gesamten Link - zwischen den Sternchen - in die Adress-Zeile Ihres Browsers. Die direkte Verlinkung im Artikel geschieht automatisch und ist leider häufig unvollständig. Vielen Dank für Ihr Verständnis.)

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