Molekularer Schalter entdeckt

Damit Wurzeln ein Leben lang wachsen können, ist eine Pflanze auf pluripotente Stammzellen angewiesen. Wie diese am Leben und in Balance gehalten werden, konnten Wissenschaftler nun zeigen.

Pflanzen können sehr lange wachsen – manche Bäume sogar mehr als 1000 Jahre lang. Im Laufe ihres Lebens bilden Pflanzen immer wieder neue Organe aus. Auch die pflanzlichen Wurzeln wachsen fortwährend, um die Pflanze mit Wasser und Mineralien zu versorgen und sie fest im Boden zu verankern. Verantwortlich dafür sind pluripotente Stammzellen. Diese Zellen sind in der Lage, sich in spezialisierte Zellen umzuwandeln und verschiedene Gewebetypen zu bilden, fachsprachlich auszudifferenzieren.

Stammzellen brauchen WUSCHEL

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In der pflanzlichen Entwicklung bilden sich lediglich die ersten beiden Blätter ohne Stammzellen aus. Versuche zeigten: Pflanzen, die nicht über das Zwei-Blatt-Stadium hinauswachsen können, fehlt ein bestimmtes Gen. Nach der strubbeligen Erscheinung der betroffenen Pflanzen nannten ihre Entdecker das Gen WUSCHEL.

Die pflanzlichen Stammzellen befinden sich in speziellen Nischen und werden von den Nachbarzellen reguliert. Das konnte ein Team aus Wissenschaftlern um den Freiburger Biologen Prof. Dr. Thomas Laux bereits vor etwa 20 Jahren zeigen. Nur eine kleine Gruppe von sich langsam teilenden Zellen, das so genannte Ruhezentrum der Wurzel, erzeugt diese Signale, die für die Stammzellen lebenswichtig sind.

Laux und seine Kollegen konnten zeigen, dass die Nachbarzellen der Stammzellen mithilfe des WUSCHEL-Gens einen Transkriptionsfaktor (WUSCHEL HOMEOBOX (WOX) 5) herstellen, der wiederum die Ableserate anderer Gene beeinflusst. Er verhindert die Spezialisierung der Stammzellen und sorgt dafür, dass sie sich weiterhin teilen. Das Signalmolekül WUSCHEL HOMEOBOX (WOX) 5 wandert durch Poren aus den Zellen des Ruhezentrums in die Stammzellen ein.

Wenn das Signal WOX5 durch Poren in die Stammzellen gelangt ist, bindet es an die Promotoren, von Zielgenen und rekrutiert über ein so genanntes Adaptorprotein ein Enzym. Dieses Enzym (Histon-Deacetylase) verändert die Proteinhülle der DNA, das Chromatin, und erreicht dadurch, dass das entsprechende Gen nicht mehr effektiv abgelesen werden kann.

Auf die Balance kommt es an

In den Stammzellen wird das Zielgen CDF4 von WOX5 abgeschaltet. Die Forscher konnten zeigen, dass CDF4 dafür verantwortlich ist, dass sich ein Teil der von den Stammzellen gebildeten Tochterzellen differenzieren, sich also zu Spezialzellen ausbilden. Wäre die Menge des CDF4-Proteins in den Stammzellen zu hoch, würden diese selbst differenzieren und die Pflanze könnte nicht mehr weiterwachsen. Wo WOX5 konzentriert genug vorliegt, bleiben die Stammzellen in ihrer pluripotenten Form erhalten. Bei niedriger WOX5-Konzentration steigt die CDF4 Konzentration. Dann differenzieren die Zellen zu Wurzelgewebe. Auf diese Weise kann die Stammzellnische ein Leben lang aufrecht erhalten bleiben.

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Signalstoffe bestimmen Stammzell-Schicksal

Die aktuelle Arbeit zeigt, dass Stammzellen von Pflanzen, ähnlich wie bei Tieren, durch Signalstoffe aus ihrer unmittelbaren Umgebung beeinflusst werden. Einen großen Unterschied gibt es jedoch: Pflanzliche Stammzellen können nicht nur einen Gewebetyp ausbilden, wie es bei erwachsenen Tieren der Fall ist. Bei diesen können zum Beispiel Stammzellen im Gehirn nur spezialisierte Gehirnzellen produzieren. In Pflanzen dagegen können Stammzellen auch nach vielen Jahren noch jedes Organ neu bilden. Beim Menschen ist diese Eigenschaft auf den Embryo begrenzt.

„Die Aufklärung des Mechanismus, mit dem Signale in der Wurzel die Stammzellaktivität bestimmen, lässt Rückschlüsse auf die generellen Mechanismen der Stammzellregulation bei Pflanzen und Menschen zu“, sagt Laux. Sie ermögliche zukünftig zudem, zu untersuchen, wie sich das Pflanzenwachstum an unterschiedliche Umweltbedingungen anpasst. „Ein spannendes Aufgabengebiet in der Zeit des Klimawandels.“