Keimzellen nach Bedarf

Pflanzen bilden ihr Leben lang neue Organe und Keimzellen aus. Welche somatischen Zellen sich zu Keimzellen entwickeln, darüber entscheidet das Protein RBR1. Zusätzlich zu seinen zahlreichen anderen Aufgaben.

Die grundlegende Fortpflanzungsbiologie von Menschen und Blütenpflanzen ist, man möchte es kaum glauben, gar nicht so unterschiedlich. Beide Organismen haben sich im Lauf der Evolution für sexuelle Fortpflanzung entschieden. Sie bilden haploide Keimzellen, von denen sich eine männliche und eine weibliche vereinigen und die nächste Generation hervorbringen. Beim Menschen sind das Eizelle und Spermium, bei der Pflanze spricht man von Eizelle und Pollenkorn. So weit, so gut.

Es gibt aber auch ein paar grundlegende Unterschiede. Beim Menschen sondert sich relativ früh während der Embryonalentwicklung eine Gruppe von Zellen ab, die sogenannte Keimbahn. Sie hat keine andere Aufgabe als Keimzellen zu bilden.

Blütenpflanzen hingegen haben ein anderes System entwickelt. Sie wandeln bei Bedarf einfach einzelne somatische Zellen in Keimzellen um. Diese Zellen beginnen dann mit der Meiose, bei der haploide Keimzellen entstehen.

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Heute Grundlagenforschung, morgen angewandtes Wissen?

Wissenschaftler um Arp Schnittger von der Universität Hamburg haben jetzt herausgefunden, dass dieser Vorgang vom Protein Retinoblastoma Related 1 (RBR1) initiiert wird. Die Ergebnisse sind vor kurzem im Fachmagazin Science erschienen.

„Unsere Ergebnisse sind nicht nur von fundamentaler Bedeutung für ein Verständnis der pflanzlichen Fortpflanzung, sondern haben auch großes Potential für die Anwendung in der Pflanzenzüchtung“, sagt Schnittger in einer Pressemitteilung der Universität Hamburg.

Ein primäres Ziel der Züchter sind Pflanzen mit höherem Ertrag. Bei unseren wichtigsten Nahrungspflanzen Mais, Reis und Weizen sind die essbaren Pflanzenteile die Samen, die zu einem großen Teil aus Endosperm bestehen. Das Endosperm versorgt den pflanzlichen Embryo mit Nährstoffen, bis er selbst Wurzeln und Blätter ausgebildet hat.

Mehr Energie ins Korn packen

Doch wo kommen da die Signalwege ins Spiel, die somatische Zellen zu Keimzellen werden lassen? Schnittgen erklärt es so: „Wenn wir die Regulationswege bei der Fortpflanzung verstehen, können wir auch zum Verständnis der Endosperm-Bildung beitragen.“

Und wenn klar ist, welche molekularen Prozesse die Entwicklung von Endosperm und Embryo steuern, könnte man gezielt daran arbeiten, mehr Nährstoffe in das Endosperm zu pumpen. „Das könnte neue Möglichkeiten eröffnen, die Erträge und den Energiegehalt von Nutzpflanzen zu steigern“, sagt Arp Schnittger. Denkbar wäre zum Beispiel, Pflanzen zu züchten, bei denen mehr Zellen in die Meiose eintreten und daraufhin mehr Samen gebildet werden.

„Generell ist die Einleitung der Meiose bei Pflanzen noch ein sehr wenig verstandener Prozess“, erklärt Schnittger, und weiter: „Es ist spannend für uns, jetzt einen Fuß in die Tür zu bekommen.“ Der Fuß in der Tür ist dabei RBR1.

Bisher war RBR1 vor allem dafür bekannt, die Teilung von Zellen im Meristem und dadurch das Wachstum der Pflanzen zu regulieren. Ein Beispiel dafür ist die ruhende Zone im Wurzelapikalmeristem, der unterirdischen Wachstumszone der Pflanzen. Dort bremst RBR1 die Teilungsrate der Zellen. Denn Zellen, die sich langsamer teilen, sind besser vor Stress, Mutationen und Zelltod geschützt.

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Doch das ist nicht der einzige Weg, durch den RBR1 protektiv auf die Zellen einwirkt. Wie ein internationales Forscherteam jetzt herausgefunden hat, ist das Protein auch dafür zuständig, den Zellzyklus zu überwachen und bei Bedarf regulierend einzugreifen.

Basale Mechanismen ähneln sich

Bevor eine Zelle sich teilt, verdoppelt sie ihr Genom. Wenn dabei Schäden an der DNA auftreten, stoppt RBR1 in Zusammenarbeit mit dem Protein E2FA den Zellzyklus und kümmert sich um die Reparatur. Sollte dies nicht möglich sein, leitet RBR1 den programmierten Zelltod (Apoptose) ein.

Auch Menschen besitzen ein Protein, das ganz ähnlich arbeitet und einen ähnlichen Namen trägt: das Retinoblastom-Protein (Rb). Es kümmert sich ebenfalls um die Kontrolle der Zellteilung, die Differenzierung und das Überleben der Zellen. Ist Rb defekt, so entsteht ein Retinoblastom, also ein Augentumor. Rb heißt deshalb auch Tumorsuppressor-Protein.

Ein zweites wichtiges Tumorsuppressor-Protein beim Menschen ist das p53. Auch p53 kontrolliert vor einer Zellteilung, ob das Erbgut intakt ist und leitet gegebenenfalls Reparaturmaßnahmen ein oder induziert Apoptose. Das Äquivalent im pflanzlichen Stoffwechsel heißt SOG1.

An diesen Beispielen wird deutlich, dass pflanzliche und tierische Organismen bei grundlegenden zellbiologischen Prozessen auf ganz ähnliche Art und Weise arbeiten. Ob eine Zelle sich teilen darf oder nicht, wird durch fast identische, evolutionär sehr alte Stoffwechselwege festgelegt.