Erst teilen, dann wachsen

Woher wissen Organe, wie lang sie wachsen und wie groß sie werden dürfen, damit die Proportionen des gesamten Lebewesens stimmen? Diese Frage ist eine der ganz Großen der Biologie und besonders bei Pflanzen ist noch wenig darüber bekannt, wie dem Wachstum zur richtigen Zeit ein Ende bereitet wird. Bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sind Forscher jetzt einen Schritt weiter gekommen.

Wenn Blätter wachsen, dann unterscheiden Forscher zwei Phasen. Zuerst entstehen viele neue Zellen, die alle etwa gleich groß sind. Während dieser Zellteilungsphase legt die Pflanze ihr Kapital an. Sobald diese Phase vorbei ist, beginnen die vorhandenen Zellen ihr Volumen zu vergrößern. Die Anzahl von Zellen, die während der Teilungsphase entstehen, bestimmt also im Endeffekt die Größe des Blatts.

Während der Teilungsphase müssen ganz andere Gene von der DNA abgelesen werden als während der Spezialisierungsphase. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, dass das Protein AN3 den Übergang von der einen in die andere Phase kontrolliert, indem es die Expression von Genen für die Zellteilung fördert und die Expression von Genen für die Zelldifferenzierung unterdrückt. Wenn mehr AN3 vorhanden ist, teilen sich die Zellen schneller und länger.

#####1#####

Erst teilen, dann spezialisieren

Das Protein AN3 sorgt dafür, dass genau die Bereiche der DNA zugänglich sind, auf denen wichtige Gene für die Zellteilung liegen. Es bindet einerseits an einen großen Proteinkomplex, der die - normalerweise eng zu Chromosomen verpackte - DNA öffnet und andererseits an ein Protein, das für das Ablesen der Gene wichtig ist.

„Diese Entdeckung stellt einen wichtigen Fortschritt beim Verständnis des pflanzlichen Organwachstums dar“, sagt Michael Lenhard, Professor für Genetik an der Universität Potsdam. „Es wurden zwar  schon viele Gene beschrieben, die das Wachstum von Blättern und Blüten fördern oder hemmen, wir wissen aber nur von sehr wenigen, wie genau  sie das auf molekularer Ebene tun, so wie das hier für AN3 gezeigt wurde.“

Größere Blätter verbrauchen mehr CO₂ und produzieren mehr Energie

Aufgrund des steigenden Bedarfs an Pflanzen als Nahrungsmittel und nachwachsende Rohstoffe ist es extrem wichtig, die molekularen Mechanismen zu verstehen, die das Wachstum beeinflussen. Da in den Blättern der Pflanze die Photosynthese abläuft, ist die Blattfläche einerseits wichtig für die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und andererseits direkt mit Wachstum und Ertrag der Pflanze verbunden. Größere Blätter fangen mehr Sonnenlicht ein und können mehr Energie erzeugen.

Bisher ist aber über die Steuerung des Wachstums bei Pflanzen deutlich weniger bekannt als zum Beispiel bei den Tieren. Es könnte sein, dass Pflanzen robuster gegenüber Schwankungen sind, denn einzelne Organe sind bei ihnen nicht überlebenswichtig. Genauso wenig stirbt eine Pflanze, wenn ein Blatt doppelt so groß ist wie das andere. Andererseits sollten Pflanzen aufgrund ihrer „Sesshaftigkeit“ sensibler auf Umweltsignale reagieren. Mit dem beschriebenen Eiweißkomplex AN3 lassen sich Experimente zur Hypothesenprüfung zielgerichteter durchführen. Gleichzeitig wird die Beeinflussung wichtiger Ertragskomponenten möglich.