Organformen sind berechenbar

Aus kleinen Zellhaufen bilden sich die unterschiedlichsten Organe in Pflanzen und Tieren. Aber nach welchen Mustern entsteht diese Formenvielfalt? Laut einer aktuellen Studie orientieren sich die Wachstumsmuster durch Umformungen des Gewebes immer wieder neu.

Die Wissenschaftler testeten zwei unterschiedliche Modelle, um die Form von Organen vorhersagen zu können. In den Blättern der Ackerschmalwand untersuchten sie welche Faktoren die Blattform beeinflussen. Blätter entwickeln sich aus Erhebungen in der Spitze der Sprossachse, die auch Blattanlagen genannt werden. Diese Blattanlagen nehmen zunächst eine einfache, haubenförmige Form an, die sich besonders einfach analysieren und berechnen lässt.

In den Blattanlagen wachsen jedoch nicht alle Zellen gleich schnell. Während der Entwicklung bilden sich Wachstumsgradienten, die in seitlichen und mittleren Achsen durch das Blattorgan verlaufen. Auf diese Weise können schließlich spitz zulaufende, runde oder elliptische Blattformen entstehen. Dass sich das Zellwachstum entlang dieser Achsen orientiert, dafür sorgen molekulare Faktoren wie beispielsweise das Protein POLARISER. Die Zellen an der Spitze wachsen dadurch beispielsweise langsamer, als die Zellen der Peripherie.

Aus experimentell ermittelten Wachstumsgradienten entwickelten die Forscher zwei mögliche mathematische Modelle. Das erste „Nichtdeformierungs-Modell“ basierte auf der Annahme, dass die Organe einem festgelegten Programm folgen, dass auch durch Formveränderungen während der Organentwicklung nicht abweicht. Das „Organizer-Modell“ ging dagegen davon aus, dass Formveränderungen, die zwangsläufig während des Wachstums stattfinden, an die Wachstumsgradienten rückkoppeln. Demnach orientieren sich die ursprünglichen Wachstumsgradienten während der Organentwicklung neu.

Ein Vergleich mit Wachstumsexperimenten in den Blättern bestätigte schließlich das Organizer-Modell. Es sagte die Polarität der Wachstumsgeschwindigkeit während der gesamten Blattentwicklung präziser vorher, als das Nichtdeformierungs-Modell. Schnitten die Forscher die Blattspitzen ab, so ließ sich mit dem Organizer-Modell auch berechnen, welche Form das Blatt nach einigen Tagen annehmen würde.

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Auf diese Weise konnten die Forscher sogar die Blattformern anderer Pflanzenarten vorhersagen. Neben den lanzettlichen Blättern der Ackerschmalwand, berechnete das Modell beispielsweise elliptische und eiförmige Blätter.

Die Wissenschaftler wollen das Modell jetzt weiter ausbauen, um auch komplexere Organe berechnen zu können. Das zukünftige Organizer-Modell soll daher auch Gene und viele zelluläre Faktoren berücksichtigen. Systematische Pflanzenmodellierung durch Simulation der Entwicklung ist noch eine Vision der Pflanzenwissenschaften. Deren Ziel ist es, neben den experimentellen Ansätzen zukünftig auch am Computer konkrete Vorhersagen treffen zu können. Fernes Ziel ist es, Untersuchungen an Pflanzen zuerst am Computer zu simulieren, um mit diesen Ergebnissen präzise Experimente zu entwickeln. Aber auch Pflanzen auf bestimmte Ansprüche und Gegebenheiten hin im wahrsten Sinne regelrechet designen zu können. Auch die medizinische Forschung profitiert von diesen Ergebnissen. Pflanzen dienen als multizelluläre jedoch weniger komplexe Lebewesen als ein wichtiges Modellsystem, um die Prozesse der Organogenese in ihren Grundlagen verstehen zu lernen.