Dünne Luft an der Spross-Spitze

Pluripotente Stammzellen ermöglichen Pflanzen lebenslanges Wachstum. Sie sorgen für einen kontinuierlichen Nachschub an Stammzellen. Damit dieser nicht versiegt, müssen Pflanzen für eine sauerstoffarme Umgebung an der Sprossspitze sorgen.

Mit der Photosynthese und der Ausbreitung von Pflanzen auf der Erde kam der Sauerstoff in die Luft, der für mehrzelliges Leben unerlässlich ist. Allerdings gibt es eine Besonderheit, die möglicherweise auf die Anfangszeit zurückgeht. Damit pluripotente tierische Stammzellen nicht ausdifferenzieren, benötigen sie sauerstoffarme Bedingungen in ihrer Gewebeumgebung. Jetzt hat ein internationales Team von Pflanzenforschern unter Beteiligung der RWTH Aachen und der Universität Heidelberg eine Parallele bei Pflanzen entdeckt.

Messung mit mikroskopisch kleiner Sonde

Mit mikroskopisch kleinen Sonden hat das Team die Sauerstoffkonzentration im pflanzlichen Gewebe gemessen, insbesondere im Sprossapikalmeristem. Die dortigen Stammzellen sind verantwortlich dafür, dass Pflanzen neue Blätter und Blüten bilden. Analog zu den tierischen pluripotenten Stammzellen trafen die Forscher auch hier auf eine sauerstoffarme Geweberegion. Das ist eine bemerkenswerte Parallele angesichts der evolutionär weit entfernten Verwandtschaft von Tieren und Pflanzen.

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Das Sprossapikalmeristem ist ein mehrschichtiges Gewebe. In seiner Mitte wird die Pluripotenz der Zellen bewahrt, während außen neue Organe entstehen. Weil die pluripotente Mitte des Meristems aus nur etwa 30 Zellen besteht, war es bislang schwierig, die Rolle des Sauerstoffs innerhalb des Sprossapikalmeristems zu untersuchen. Mit winzigen Clark-Elektroden konnten die Wissenschaftler nun erstmals die Sauerstoffverteilung im Mikrometerbereich auflösen und so die sauerstoffarme Zone entdecken, die scharf auf die Meristemmitte begrenzt ist.

Artübergreifend einheitlicher Mechanismus

Der Abgleich mit Expressionsdatenbanken bestätigte die Beobachtung: Mehr als die Hälfte aller Gene, die bei Sauerstoffmangel aktiviert werden, werden im Sprossapikalmeristem deutlich stärker exprimiert als in jungen Blättern. Zusätzlich testeten die Forscher die Wirkung eines synthetischen Promotors, der bei sauerstoffarmen Bedingungen aktiv ist. Wie erwartet arbeitete der Promotor im Sprossapikalmeristem, verringerte seine Aktivität aber deutlich nach einer zwölfstündigen Behandlung des Gewebes mit 80-prozentigem Sauerstoff. Die bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gemachten Beobachtungen erfolgten ebenso bei Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum) – ein Hinweis darauf, dass die Sauerstoffarmut eine Eigenschaft ist, die Sprossapikalmeristemen artübergreifend gemein ist.

Während die Gewebe von Mehrzellern in der Regel Sauerstoff für einen effizienten Energiestoffwechsel benötigen, gilt im Sprossapikalmeristem das Gegenteil: Eine geringe Sauerstoffkonzentration schränkt die Entwicklung neuer Organe in keiner Weise ein, wohingegen eine künstlich erhöhte Sauerstoffsättigung die Aktivität des Meristems deutlich verringert.

Sauerstoff als regulatorisches Signal

Die Wissenschaftler klärten zudem auf, wie die Sauerstoff als regulatorisches Signal wirkt. Auf der Suche nach sauerstoffabhängigen molekularen Schaltern fanden sie das Protein LITTLE ZIPPER 2 (ZPR2). ZPR2 wird in Gegenwart von Sauerstoff nach dem sogenannten N-Degron-Mechanismus abgebaut. Mittels Fluoreszenzmarkierung zeigten die Forscher, dass das Gen zpr2 in der sauerstoffarmen Nische des Sprossapikalmeristems aktiv und das entsprechende Protein dort stabil ist. Somit ermöglicht die Sauerstoffarmut es ZPR2, sich in diesem Gewebebereich zu akkumulieren. Knockout-Mutanten bestätigten, dass ZPR2 erforderlich ist, damit Zellen des Sprossapikalmeristems Blätter produzieren können.

Die Forscher beobachteten außerdem, dass ZPR2 mit Transkriptionsfaktoren der HD-ZIP-III-Familie interagiert und diese mutmaßlich negativ reguliert. HD-ZIP-III-Proteine steuern die Entwicklung des Sprossapikalmeristems und damit die Ausdifferenzierung der pluripotenten Zellen. Und tatsächlich: Wurde zpr2 in anderen Bereichen des Meristems exprimiert, geriet die Entwicklung gelegentlich ins Stocken.

Entstehungsgeschichte bleibt unklar

Weshalb pflanzliche Stammzellen wie tierische Stammzellen diesen sauerstoffabhängigen Mechanismus entwickelt haben, bleibt Gegenstand von Spekulationen. Denkbar wäre, dass das Erbgut dieser Zellen besonders vor dem mutagenen Einfluss von Sauerstoffradikalen geschützt werden soll. Vielleicht ist es aber auch nur ein urzeitlicher Tribut an eine evolutionäre Phase, in der Sauerstoff in erster Linie ein Zellgift und noch nicht essentieller Bestandteil des Energiestoffwechsels war.