Klein oder riesig

An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana haben Forscher nachgewiesen, dass die endgültige Größe einer Pflanzenzelle keinem genauen Plan folgt. Vielmehr fällt die Entscheidung, wie groß eine Zelle wird, nach dem Zufallsprinzip.

Wissenschaftler gehen schon lange der Frage nach, wie Pflanzen die unterschiedliche Größe ihrer Zellen regulieren. Biologen des California Institute of Technology (Caltech) nahmen nun die Kelchblätter (Sepalen) von Arabidospis thaliana genau unter die Lupe. Sepalen umschließen und schützen die Blüten bevor diese sich öffnen. Die Epidermis der Kelchblätter besteht bei Arabidopsis aus Zellen unterschiedlicher  Größe. Die Palette reicht von sehr klein bis zu riesig groß. Der größte Zelltyp, die sogenannten Riesenzellen, findet sich in Pflanzen nur in den Sepalen. Aber auch diese Riesenzellen unterscheiden sich in ihrer jeweiligen Größe. Die Verteilung der unterschiedlichen Zellgrößen variiert dabei nicht nur von Pflanze zu Pflanze oder von Blüte zu Blüte. Auch jedes einzelne der vier Kelchblätter innerhalb einer Blüte zeigt ein einzigartiges Zellmuster.

Das Forscherteam wollte herausfinden, nach welchen Prinzipien dieses Muster entsteht und verfolgten daher mithilfe von Zeitraffer-Aufnahmen die einzelnen Stadien der Zellteilung. Die so gesammelten Daten stellten anschließend die Grundlage für die Entwicklung eines Computermodells dar, das die Größenverteilung der Zellen vorausberechnen konnte. Die anfänglichen Modellierungen der Organbildung schlugen fehl. Erst als die Wissenschaftler das Zufallsprinzip in das Modell integrierten, bildeten sich am Computer die Form der Kelchblätter heraus. Damit kamen die Wissenschaftler zu dem überraschenden Schluss, dass keine organübergreifenden klar geregelten Mechanismen, sondern das Zufallsprinzip über die Größe jeder einzelnen Zelle entscheidet.

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Den Epidermiszellen in den Kelchblättern stehen jeweils zwei Arten von Wachstumszyklen zur Verfügung: Entweder kommt es zu der üblichen Zellteilung, bei der sich die Chromosomen verdoppeln und auf zwei kleinere Zellen verteilt werden. Die zweite Möglichkeit ist die sogenannte Endoreduplikation, bei der es ebenfalls zu einer Chromosomenverdopplung innerhalb des Zellkerns kommt, jedoch zu keiner Zellteilung. In diesem Falle wächst die Zelle weiter und kann entsprechend groß werden. Für die Caltech-Forscher wurde deutlich, dass jeder Zelle grundsätzlich beide Möglichkeiten offen stehen.

Die Zelle selbst „entscheidet“, welchen Weg sie wählt. Nach einer Endoreduplikation kommt es zu keiner normalen Zellteilung mehr, der Chromosomensatz verdoppelt sich in jedem Zellzyklus ohne weitere Zellkernteilung. Je früher im Wachstumszyklus es zur Endoreduplikation kommt, desto größer kann die Zelle werden. Doch nur die Zellen, die bereits bei der ersten Zellteilung endoreduplizieren, können zur Riesenzelle heranwachsen. Denn bei  späterer Endoreduplikation bleibt weniger Zeit zum Wachsen. Die kleinsten Zellen wiederum sind diejenigen, die sich bei jedem Zyklus „normal“ teilen.

Neben der Entscheidung welchen Verdopplungstyp eine Zelle wann folgt, variierten die Forscher einen weiteren Faktor in den Pflanzen. Sie modifizierten den Zeitraum der für eine Zellteilung zur Verfügung steht. Dabei fanden sie heraus, dass die Größe einer endoreduplizierten Zelle auchvon dem Zeitraum ihres Zellzyklus beeinflusst wird. Dauert der Zellzyklus länger als der Durchschnitt bleibt mehr Zeit für das Größenwachstum der einzelnen Zelle. Damit konnte erklärt werden, warum es Riesenzellen und riesige Riesenzellen in den Sepalen gibt. Das trotz des herrschenden Zufallsprinzips, Kelchblätter zu einem harmonischen Gesamtgebilde unterschiedlich großer Zellen werden, bleibt faszinierend. Die vorliegenden Experimente sind ein praktisches Beispiel, wie durch die Kombination molekularer und phänotypischer Daten sowie der Modellierung grundlegendes Wissen gewonnen werden kann.

Dass diese grundlegenden Ergebnisse in Zukunft durch die Pflanzenzüchtung gezielt genutzt werden können, liegt auf der Hand. Wer die Mechanismen von Wachstum und Teilung der Zelle genau kennt und begreift, kann diese gezielt verändern. So könnten zum Beispiel für Energiepflanzen diese Erkenntnisse von großer Bedeutung sein, da für die Produktion von Biotreibstoff der zweiten Generation die Zellulose genutzt wird.

Zellulose ist die Gerüstsubstanz der Zellwände. Bei einer großen Anzahl an Riesenzellen bilden sich vergleichsweise weniger Zellwände aus. Durch eine Erhöhung des Anteils von kleinen Zellen würden sich mehr Zellwände und damit mehr Zellulose bilden. Der Zelluloserertrag würde gesteigert werden. Charakteristisch für die Biokraftstoffe der zweiten Generation ist die Nutzung der Gesamtpflanze bzw. der nicht als Nahrungs- oder Futtermittel benötigten Pflanzenteile.