Einzigartige KNOLLE

Helfer der Zellteilung bei Blütenpflanzen aufgespürt

14.02.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Blütenpflanzen besitzen eine eigene Maschinerie zur Zellteilung. (Bildquelle: © GLady/Pixabay/CC0)
Blütenpflanzen besitzen eine eigene Maschinerie zur Zellteilung. (Bildquelle: © GLady/Pixabay/CC0)

Pflanzen und speziell Blütenpflanzen pflegen eine eigene Form der Zellteilung. Bei der Suche nach den am Prozess beteiligten Faktoren stießen Forscher auch auf neue Hinweise zur Evolution von Blütenpflanzen. Im Fokus stehen dabei Vertreter aus der Gruppe der SNARE-Membranproteine.

Es ist Zeit für eine Zellteilung. Wir befinden uns inmitten des Zellzyklus der Blütenpflanze Arabidopsis thaliana. Während sich an den Polen der Zelle die Tochterchromosomen sammeln, wird im Zentrum die Zellteilung (Cytokinese) vorbereitet. Zahlreiche Golgi-Vesikel beginnen, entlang der Äquatorialebene zu fusionieren und eine Zellplatte zu bilden. Diese wird später Bestandteil der Zellmembran (Plasmalemma) der Tochterzellen sein. Zunächst aber wächst sie weiter, bis sie die äußere bestehende Zellmembran erreicht, mit ihr verschmilzt und die Zelle damit in zwei Tochterzellen teilt.

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Hier befindet sich die Zellplatte (grau) noch im Wachstum. Später wird sie die Tochterzellen zerteilen.

Hier befindet sich die Zellplatte (grau) noch im Wachstum. Später wird sie die Tochterzellen zerteilen.

Quelle: © Kelvinsong/Wikimedia.org/CC BY 3.0

Was treibt Cytokinese an?

Die Fusion der Vesikel zur Zellplatte erfolgt ähnlich wie bei einem Klettverschluss über sogenannte SNARE-Proteinkomplexe, die sich auf den Vesikeloberflächen befinden. Bei Blütenpflanzen spielt dabei das SNARE-Protein KNOLLE eine entscheidende Rolle. Es ist fast unersetzlich für die Bildung der Zellplatte, aber nur fast. Eine Deaktivierung des Gens führte nicht zum erwarteten Stopp der Zellteilung, was Fragen nach weiteren Faktoren aufwarf.

Forscher der Universität Tübingen haben die Antwort gefunden: SYP132 hat ebenfalls seine Finger im Spiel. Es ein weiteres Mitglied der SNARE-Familie, das im Unterschied zu KNOLLE aber nicht nur bei Blütenpflanzen, sondern auch bei anderen Pflanzen zu finden ist.

Ungleiche Geschwister aus einer Proteinfamilie

Anders als KNOLLE wird SYP132 zudem nicht nur vorrübergehend ab der G2-Phase im Zellzyklus entlang der Zellplatte produziert, sondern in allen Pflanzenorganen über alle Entwicklungsstadien hinweg. Es gibt nur eine Ausnahme: das Endosperm. Während der Entwicklung des Nährgewebes von Samen ist KNOLLE an der Zellteilung maßgeblich beteiligt, SYP132 nur im Hintergrund aktiv.

Weil KNOLLE auf die Cytokinese bei Blütenpflanzen spezialisiert ist und bei der Endosperm-Entwicklung eine wichtige Rolle spielt, ist eine gemeinsame evolutionäre Entwicklung von KNOLLE und den Blütenpflanzen sehr wahrscheinlich. Dies könnte erklären, warum Blütenpflanzen nicht nur im Vergleich zu Menschen und Tieren, sondern auch zu Moosen und Algen eine andere Form der Cytokinese besitzen.

Rückblick zum Beginn der Evolution der Blütenpflanzen

„Diese Maschinerie war ursprünglich nicht auf Zellteilung spezialisiert“, erklärt Gerd Jürgens von der Uni Tübingen. Bei Algen bestand ihr Zweck zuvor darin, Vesikel fusionieren zu lassen. Vom Prinzip her ähnlich wie bei der Bildung der Zellplatte. „Die ursprüngliche Zusammensetzung der Maschinerie wurde beibehalten und spielt bei der Zellteilung der Blütenpflanzen noch eine Rolle“, ergänzt Misoon Park. Jedoch entwickelten Blütenpflanzen diesen Mechanismus anscheinend weiter.

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Nun ist die Zellteilung abschlossen. Die Zellplatte ist mit der alten Zellmembran verschmolzen, zwei Tochterzellen sind entstanden.

Nun ist die Zellteilung abschlossen. Die Zellplatte ist mit der alten Zellmembran verschmolzen, zwei Tochterzellen sind entstanden.

Quelle: © Kelvinsong/Wikimedia.org/CC BY 3.0

„Diese Neuerung, eine Erfindung der Blütenpflanzen sozusagen, ergab sich nach Hunderten von Millionen Jahren der Pflanzenevolution. Offenbar brauchten Blütenpflanzen bei den komplizierten Besonderheiten ihrer Samenentwicklung eigene Mechanismen für die Zellteilung“, fasst Jürgens zusammen und lenkt den Blick damit wieder auf das Endosperm.

Einzigartig und besonders ist nämlich die doppelte Befruchtung der Blütenpflanzen. Anders als beim Mensch verschmelzen bei Blütenpflanzen jeweils zwei weibliche und zwei männliche Keimzellen. Dabei entstehen zwei Befruchtungsprodukte: Aus dem ersten entwickelt sich der Embryo, der zur Pflanze heranwächst, aus dem zweiten geht das Nährgewebe hervor, das Endosperm. Zu Beginn der Endosperm-Entwicklung steht eine Phase der freien Kernteilung an, die eine leistungsstarke molekulare Maschinerie erfordert. Und genau hier kommt KNOLLE zum Einsatz.

Bis zu den Anfängen der Evolution der Blütenpflanzen

Die Entdeckung lässt Raum zur Spekulation, schließlich könnten demnach SNARE-Proteine bei der Entstehung und Verbreitung der Blütenpflanzen eine entscheidende Rolle gespielt haben, denkt man an die Bedeutung, die das Endosperm für die Evolution der Blütenpflanzen hat. Die Nährstoffreserven im Samen erlauben es jungen Keimlingen, eine kräftige Wurzel zu bilden, um Nährstoffe aufzunehmen, bevor sie auf sich selbst gestellt sind. Eine willkommene Starthilfe, die bei der Besiedelung neuer Standorte von Vorteil ist.

Bei Getreidesamen reichen die Reserven im Endosperm für rund eine Woche aus. Nicht zu vergessen ist darüber hinaus, dass es bei Gräsern wie Weizen, Mais oder Reis das Endosperm ist, das uns Menschen ernährt. Damit reicht die Bedeutung des Gewebes weit über das Pflanzenreich hinaus.

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