Das Sanduhr-Modell der pflanzlichen Embryogenese

Wer es auf die Titelseite des weltberühmten Fachmagazins Nature schafft, hat eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Das gelang nun einem Team junger Wissenschaftler aus Halle mit seinen Forschungsarbeiten zur pflanzlichen Embryogenese. Das seit langem bekannte Sanduhr-Modell der embryonalen Entwicklung scheint nämlich nicht nur für Tiere zu gelten, sondern auch für Pflanzen.

In der Arbeit der Forscher des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie (IPB) und des Instituts für Informatik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) geht es um ein grundlegendes Entwicklungsprinzip, genauer gesagt um ein scheinbar universelles Muster der Embryonalentwicklung von Pflanzen und Tieren.

Dieses Muster war im Tierreich schon lange bekannt: Die Embryonen verschiedener Wirbeltierarten sind in der mittleren Phase der Embryogenese kaum voneinander zu unterscheiden. Die vorangehenden und folgenden Entwicklungsstufen zeigen dagegen große Unterschiede. „Befruchtete Eizellen können selbst zwischen nah verwandten Arten sehr unterschiedlich sein, dann werden die sich entwickelnden Embryonen ähnlicher und ähnlicher, bis sie irgendwann fast ununterscheidbar sind. Und dann platzt aus ihnen die Biodiversität hervor, die wir auf unserem Planeten vorfinden", beschreibt der Bioinformatik-Professor Ivo Große der Martin-Luther Universität in Halle das Sanduhr-Muster der Embryogenese. 

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Kurzzeitig nur die alten Gene

„Die Evolution hat zweimal unabhängig voneinander eine Embryogenese entwickelt", erklärt Dr. Marcel Quint, Biologe am IPB, die überraschende Entdeckung. „Das Ziel ist jeweils das gleiche: die Koordination der Entwicklung von der Eizelle bis hin zum komplexen Organismus. Aber die Grundvoraussetzungen sind unterschiedlich. Pflanzenzellen haben zum Beispiel Zellwände, tierische Zellen nicht.“ So fragten sich die Forscher, ob es dennoch Gemeinsamkeiten gäbe. Sie suchten nach Mustern, die für Tiere und Pflanzen essentiell sind, damit ein Individuum durch die Embryogenese kommt - und wurden fündig: Tierische und pflanzliche Embryonen müssen, wenn ihr jeweiliger Bauplan angelegt wird, durch ein und dasselbe Nadelöhr schlüpfen - und sie tun das auf ein und dieselbe Art und Weise.

Genexpressionsstudien beim Zebrafisch und der Taufliege hatten gezeigt, dass in der Periode der Engstelle der Sanduhr viele entwicklungsgeschichtlich junge Gene schwächer exprimiert werden als davor oder danach. Ist die Engstelle passiert, werden neben den alten auch wieder die jungen Gene abgelesen. Die Hallenser Wissenschaftler entdeckten genau dieses Phänomen nun am Beispiel der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) auch für die Embryonalentwicklung von Pflanzen.

Dazu nutzten sie kürzlich veröffentlichte Expressionsprofile der kompletten Entwicklungsserie von der Zygote bis zum reifen Embryo bei Arabidopsis thaliana. Ihre bioinformatischen Studien zeigten, dass das Sanduhr-Muster offenbar gleichermaßen in Tieren und Pflanzen existiert, was vermuten lässt, dass sich hinter diesem universellen Muster möglicherweise ein von der Art unabhängiger gemeinsamer Mechanismus verbirgt. In diesem Befund sehen die Forscher ein weiteres Beispiel für ein konvergentes Fortschreiten der Evolution.

Morphologische Entsprechung?

Einen großen Unterschied gibt es allerdings zwischen Tier und Pflanze. Im Tierreich gilt das Sanduhrmodell sowohl für den Formenreichtum als auch auf molekularer Ebene für die Genexpression. Bei Pflanzen fehlt bisher jedoch eine morphologische Entsprechung zum Sanduhrmodell auf molekularer Ebene. Weitere Untersuchungen widmen die Hallenser Forscher nun dem Formenstudium der Embryonalentwicklung bei Pflanzen. Sie vermuten, dass es auch bei Pflanzen eine Phase der Embryogenese gibt, in der sich Jungpflanzen verschiedener Arten ähneln.

Ein Interview mit Dr. Marcel Quint und Dr. Ivo Große, zwei Autoren der Studie, finden Sie hier.