Alte Verwandte

Ursprung von Spaltöffnungen entschlüsselt

13.12.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Stomata dienen dem Gasaustausch und der Transpiration bei Pflanzen. (Bildquelle: © Ron.p.aln/wikimedia.org; CC BY 4.0)
Stomata dienen dem Gasaustausch und der Transpiration bei Pflanzen. (Bildquelle: © Ron.p.aln/wikimedia.org; CC BY 4.0)

Lange blieben die evolutionären Hintergründe von Stomata ungeklärt. Ein internationales Forscherteam konnte nun einen gemeinsamen genetischen Mechanismus bei Blütenpflanzen und den evolutionär betrachtet deutlich älteren Moosen ausmachen. Der Mechanismus geht demnach auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück.

Sie sind winzig klein, bestehen aus nur wenigen Zellen und sind doch für den evolutionären Siegeszug von Landpflanzen von außerordentlicher Wichtigkeit: Stomata, die Spaltöffnungen der pflanzlichen Epidermis, dienen dem Gasaustausch und der Transpiration bei Pflanzen. Gebildet werden sie in der Regel aus zwei bohnenförmige Schließzellen, die eine Öffnung auf der Blattunterseite umschließen. Daran angrenzend befinden sich bei vielen Pflanzenarten Nebenzellen, die indirekt an der Funktion der Schließzellen beteiligt sind, indem sie aktiv Kalium-Ionen in die Schließzellen pumpen. Durch die höhere Konzentration an Ionen innerhalb der Schließzellen strömt Flüssigkeit in die Schließzelle. Diese spannt sich durch den aufgebauten Druck des Turgors, das Stoma öffnet sich, Gase können zirkulieren, die Pflanze „atmet“.

Ein gut erforschtes Pflanzenorgan

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Das Zusammenwirken der beiden Proteine PpSMF1 und PpSCRM1 gibt im Kleinen Blasenmützenmoos das Startsignal für die Ausbildung von Spaltöffnungen.

Das Zusammenwirken der beiden Proteine PpSMF1 und PpSCRM1 gibt im Kleinen Blasenmützenmoos das Startsignal für die Ausbildung von Spaltöffnungen.

Bildquelle: © Pirex/wikimedia.org; CC0

Diese und weitere Prozesse und Mechanismen rund um Stomata sind vergleichsweise gut erforscht. Die genetischen Hintergründe, die zur Regulierung der Stomatalentwicklung von Gefäßpflanzen führen, blieben jedoch bisher im Dunkeln. Ein internationales Forscherteam unter deutscher Leitung hat jetzt den genetischen Mechanismus entdeckt, der für die evolutionäre Entwicklung von Stomata verantwortlich ist.

Moose ohne Stomata

Die Forscher kamen zu ihren Ergebnissen, indem sie den in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) bereits bekannten genetischen Vorgang der zur Bildung von Stomata führt im Kleinen Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens) ebenfalls entschlüsselten. Dafür deaktivierten die Wissenschaftler die zugrunde liegenden Gene und schufen so Moose ohne Spaltöffnungen. Wie die Forscher zeigten, gibt das Zusammenwirken der beiden Proteine PpSMF1 und PpSCRM1 im Kleinen Blasenmützenmoos das Startsignal für die Ausbildung der Spaltöffnungen.

Im Vergleich legten sie dar, dass der Vorgang im Kleinen Blasenmützenmoos dem Zusammenwirken der Proteine MUTE und FAMA entspricht, die die Ausbildung von Stomata in der Ackerschmalwand auslösen. Die Gene, die den Bauplan für die Proteine liefern, sind folglich auf gemeinsame Vorfahren der Moose und der Blütenpflanze zurückzuführen – auf jene Ur-Landpflanzen also, welche die Grundlage für alle weitere Entwicklungen des Lebens auf dem Festland schufen.

Voraussetzung für die Verbreitung von Pflanzen

Die Bildung von Stomata waren einst Voraussetzung für die weite Verbreitung von Pflanzen, da sie einen effizienten Gasaustausch zwischen Pflanze und Atmosphäre erst möglich machten. Sie entstanden vor über 400 Millionen Jahren und traten erstmals bei Ur-Landpflanzen wie Cooksonia auf. Damit datieren sie weiter zurück als Blätter und Wurzeln. Neben diesem grundlegenden Wissen über Ontogenese und Phylogenese heute vorkommender Lebewesen, sind solche wissenschaftlichen Arbeiten wichtig, um Zelldifferenzierungsprozesse besser zu verstehen. Prozesse also, die für die Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen, aber auch über Größe und Gestalt oder über Krankheiten und Resistenzen mitbestimmen.

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