Pflanzenarchitektur: Buschig oder einstämmig?

GCAM1 ist ein heißer Kandidat für die Steuerung von Seitentrieben

02.12.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Das Brunnenlebermoos hat für die vegetative Vermehrung besondere Organe, sogenannte Brutbecher. (Bildquelle: © HermannSchachner/Wikimedia.org; CC0)
Das Brunnenlebermoos hat für die vegetative Vermehrung besondere Organe, sogenannte Brutbecher. (Bildquelle: © HermannSchachner/Wikimedia.org; CC0)

Ob eine Pflanze eher buschig oder wenig verzweigt wächst, das liegt in ihren Genen. Züchter versuchen häufig, die Wuchsform gezielt zu beeinflussen. Könnte das Gen GCAM1 hierfür ein neuer Ansatzpunkt sein?

Anders als Tiere wachsen Pflanzen ihr ganzes Leben lang und bilden dabei ständig neue Organe aus. Außerdem besitzen Pflanzen die Fähigkeit, aus einer einzelnen Zelle eine komplett neue Pflanze zu bilden. Diese vegetative Vermehrung kommt bei zahlreichen Arten vor und funktioniert mit den unterschiedlichsten Pflanzenteilen. Spargel und Ingwer regenerieren sich aus dem Rhizom, bei der Kartoffel ist die Knolle der Ausgangspunkt, Erdbeeren und Minze bilden Ausläufer. Die molekularen Mechanismen der vegetativen Vermehrung sind bisher jedoch nur unzureichend erforscht.

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Vegetative Vermehrung klonaler Nachkommen beim Brunnenlebermoos. A: Ein Brunnenlebermoos-Brutbecher. B. Vergrößertes Bild des Brutkörpers. Es gibt Meristeme auf beiden Seiten (wie durch die Pfeile angezeigt), die Stammzellen enthalten. C. Foto des Brutkörper-Wachstums auf der Oberfläche der Pflanze.

Quelle: © Kobe University

Das Brunnenlebermoos (Marchantia polymorpha) hat für die vegetative Vermehrung sogar besondere Organe, genannt Brutbecher.

Ein internationales Forscherteam hat jetzt gezeigt, dass das Gen GCAM1 essenziell für die Ausbildung dieser Brutbecher ist. Ohne GCMA1, das für einen Transkriptionsfaktor kodiert, wuchsen keine Brutbecher mehr. Bei einer Überexpression von GCAM1 jedoch kam es nicht zu einer gesteigerten Produktion von Brutbechern. Stattdessen entstanden bei diesen Pflanzen undifferenzierte Zellklumpen.

GCAM1 unterdrückt Zelldifferenzierung

„Wir gehen daher davon aus, dass GCAM1 die Differenzierung pluripotenter Zellen unterdrückt”, sagt Klaus Theres, Professor für Genetik am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln, der an der Studie beteiligt war. Pluripotente Zellen in Pflanzen ähneln den tierischen Stammzellen und befinden sich am oberen und unteren Ende der Pflanze: im Sprossapikalmeristem und Wurzelapikalmeristem. Bei einer Zellteilung passiert folgendes: Eine Tochterzelle entwickelt sich wieder zu einer Meristemzelle, die andere kann zu einer bestimmten Pflanzenzelle ausdifferenzieren, beispielsweise einer Blattzelle.

In den Experimenten fanden die Wissenschaftler auch Hinweise darauf, dass bereits der Vorfahr aller Landpflanzen dieses Gen erworben haben könnte. Denn GCAM1 kann auch mit der Gen-Maschinerie der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) interagieren und die Ausbildung von Seitentrieben beeinflussen.

Das zeigte Theres unter Zuhilfenahme einer Arabidopsis-Triplemutante, die kaum noch Seitentriebe ausbilden kann. Führte man diesen Pflanzen den genetischen Code für das vollständige GCAM1-Gen zu, dann sank die Ausbildung von Seitentrieben nochmals. Eine gekürzte Version von GCAM1 hingegen führte wieder zu einem vermehrten Wachstum von Seitentrieben.

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Oben: Drei Wochen alte Brunnenlebermoospflanze. Links der Wildtyp (als Kontrolle verwendet) und rechts eine Mutante, bei dem das GCAM1-Gen fehlt. Unten: Querschnitt. In der Mutante (rechts) haben sich keine Brutbecher gebildet.

Quelle: © Kobe University

Meristeme bestimmen die Pflanzenarchitektur

Während zu Beginn eines Pflanzenlebens nur das Sprossapikalmeristem existiert, bilden sich im Laufe der Zeit auch noch weitere Meristeme aus. Entlang der Sprossachse entstehen sogenannte Achselmeristeme, daraus wachsen neue Seitentriebe und Blätter. In welchen Abständen die neuen Meristeme entstehen, bestimmt die Architektur der gesamten Pflanze und auch den Ertrag.

Weniger Seitentriebe, bessere Tomatenfrüchte

„Bei Tomaten wünschen Züchter sich einstämmige Pflanzen ohne jede Verzweigung”, erklärt Theres. Denn bisher müssen in Gewächshäusern die Seitentriebe der Pflanzen manuell ausgegeizt werden – ein zeit- und kostenintensiver Arbeitsschritt.

Doch erst dadurch kann sichergestellt werden, dass die Pflanze genug Energie hat, um große, wohlschmeckende Früchte zu bilden. Zahlreiche Seitentriebe führen dazu, dass die Tomatenfrüchte kleiner sind und weniger intensiv schmecken.

„Es sind zwar schon zahlreiche Gene bekannt, die die Ausbildung von Seitentrieben beeinflussen, doch leider gehen mit ihrem Ausschalten auch immer unerwünschte Effekte einher”, fasst Theres den aktuellen Stand der Forschung zusammen. Ob GCAM1 ein neuer Kandidat für die Produktion von einstämmigen Tomaten ist, muss sich in weiteren Studien zeigen.

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