Pflanzeneigener Jungbrunnen

Stammzellen halten schädliche Mutationen in Schach

24.05.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Seitentriebe werden aus Achselmeristemen gebildet. Dieses Gewebe besteht aus undifferenzierten Zellen, d. h. Stammzellen. (Bildquelle: © Maksim Kryuchkov / Fotolia.com)
Seitentriebe werden aus Achselmeristemen gebildet. Dieses Gewebe besteht aus undifferenzierten Zellen, d. h. Stammzellen. (Bildquelle: © Maksim Kryuchkov / Fotolia.com)

Einige Stammzellen in Pflanzen teilen sich nur sehr selten, das zeigt eine neue Studie. Dies könnte den Forschern zufolge ein möglicher Mechanismus sein, um zu erklären, warum machen Pflanzen extrem lange leben. Denn es könnte helfen, eine Ansammlung schädlicher Mutationen abzuwehren, die im Laufe der Lebenszeit auftreten und in Kombination tödlich sein können.  

Es gibt Pflanzen, die jeden Menschen überdauern und scheinbar ewig leben. Zum Beispiel die – der Name verrät es bereits – Langlebige Kiefer (Pinus longaeva). Von ihr sind Exemplare bekannt, die über 4.000 Jahre auf dem Buckel haben und daher liebevoll „Methusalem“ genannt werden. Doch was ist das Geheimnis dieser großen und alten Bäume?

Die Anhäufung schädlicher Mutationen muss vermieden werden

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Manche Exemplare der Langlebigen Kiefer (Pinus longaeva) haben ein stattliches Alter von über 4.000 Jahren.

Manche Exemplare der Langlebigen Kiefer (Pinus longaeva) haben ein stattliches Alter von über 4.000 Jahren.

Quelle: © Dcrjsr/ wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Die Langlebigkeit einiger Pflanzen verwundert vor allem vor dem Hintergrund, dass Fehler bei der DNA-Replikation und Zellteilung unweigerlich zufällige Mutationen verursachen, die zum Teil negative Konsequenzen nach sich ziehen können. Und weil sich die Zellen in langlebige Pflanzen ständig erneuern und teilen, steigt mit der Zeit auch das Risiko: Nachteilige Mutationen in somatischen Zellen - d. h. in all jenen Zellen, die keine Keimzellen (Gameten) sind und somit nicht der sexuellen Fortpflanzung dienen - können sich durch Zellteilung (Mitose) anhäufen und schließlich tödlich für die Zelle und im schlimmsten Fall für den gesamten Organismus enden. Für kleine Populationen, die sich asexuell vermehren kann dies sogar irgendwann in einer „evolutionären Sackgasse“ münden, da sich ihre Gene nicht neu kombinieren. In der Evolutionsbiologie ist dieses Phänomen der stetigen Anhäufung von nachteiligen Mutationen als „Muller-Ratsche“ bekannt.

Auf die „Teilungsfreudigkeit“ kommt es an

Die Antwort warum Bäume so lange leben suchten Forscher in pflanzlichen Stammzellen. Diese undifferenzierten Zellen lassen sich überall dort finden, wo Wachstum stattfindet – also an den Spross- und Wurzelspitzen und den seitlichen Trieben der Sprossachse. Stammzellen, die Vorläuferzellen für spezialisierte (ausdifferenzierte) Zellen, sind im Bildungsgewebe (Meristem) eingebettet und können sich theoretisch unendlich oft teilen. Die Forscher haben herausgefunden, dass bestimmte pflanzliche Stammzellen das jedoch gerade nicht tun.

Dafür richteten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf die Stammzellen in den Achseln der Blätter, also dem Bereich zwischen Sprossachse und Blatt. Die Achselmeristeme sind neue Wachstumspunkte, die dort für die Ausbildung eines Seitentriebs verantwortlich sind. Die Forscher hatten sich im Vorfeld mehrere Szenarien überlegt, wie oft sich die Zellen vom Sprossmeristem bis zum Achselmeristem teilen und ob ihr Schicksal schon früh feststeht oder erst später in der Entwicklung definiert wird. Dies überprüften sie zunächst an einjährigen Pflanzen, an Arabidopsis thaliana und Tomaten-Pflanzen.

Durch quantitative Analysen und bildgebende Verfahren, die es ermöglichten Meristem-Zellen über einen zeitlichen Verlauf zu verfolgen, untersuchten die Forscher ihre Hypothesen. Die Stammzellen, die sich zu Achselmeristemen entwickeln, werden der Studie zufolge (wie tierische Keimbahnzellen) frühzeitig in der Entwicklung festgelegt - es ist also früh klar, welche Zellen diesen Weg einschlagen. Die Forscher konnten auch zeigen, dass sich die späteren Achselmeristem-Zellen vom Ende der Sprossspitzen (Sprossapikalmeristem) bis zum Achselmeristem sehr selten teilen, nur etwa 7-9 Mal. Und dann nicht mehr, während mit der Zeit die differenzierten Zellen um sie herum weiter wachsen und Hunderte von Teilungen durchlaufen können bevor sie ihre endgültige Größe erreichen. Die anderen Zellen bilden Blätter oder Internodien, aber die Zellen des Achselmeristems verweilen in einer Art „Ruhezustand“.

Langes Leben durch genetische Vielfalt

Diese Erkenntnisse übertrugen die Forscher danach auf die deutlich langlebigeren Bäume. Mit dem Vorwissen der Zellteilungsmuster der Stammzellen vom Spross- zum Achselmeristem errechneten sie, mithilfe eines Computermodells, den Effekt von Mutationen. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Mutation in einer apikalen Stammzelle mindestens in einem Achselmeristem auftritt und damit auch im gesamten Ast, der aus diesem Achselmeristem erwächst, liegt der Studie zufolge bei 60 Prozent.

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Ihre Analysen führten die Forscher zunächst an Zellen von Arabidopsis thaliana und Tomaten-Pflanzen durch.

Ihre Analysen führten die Forscher zunächst an Zellen von Arabidopsis thaliana und Tomaten-Pflanzen durch.

Quelle: © iStock.com/annalovisa

Es besteht keine Chance, dass die Mutation in allen Ästen auftaucht. Denn die einzelnen Äste gehen aus unterschiedlichen Achselmeristemen hervor. So werden Mutationen im Spross, im Fall eines Baums im Baumstamm, verteilt ohne sich überall zu verbreiten. Die Forscher zeigen auf, dass nur die wenigsten dieser Mutationen eine Keimzelle erreichen. Dies wäre jedoch die Voraussetzung für eine Fixierung in einer Population. Das bedeuten auch, dass sich die Äste von Bäumen genetisch unterscheiden und die Stammzellen für eine genetische Heterogenität innerhalb des Organismus sorgen.

Dies könnte, den Forschern zufolge, ein möglicher Mechanismus sein, der das lange Leben einiger Pflanzen erklärt. Denn potenziell schädliche genetische Mutationen bekommen nicht ohne weiteres die Gelegenheit sich zu akkumulieren, was den Organismus letztlich töten könnte. Damit würde, so die Schlussfolgerung der Forscher die „Muller-Ratsche“ verlangsamt und so das Leben verlängert werden. Die Wissenschaftler übertrugen ihre Erkenntnisse allerdings mithilfe von Computermodellen auf Bäume. Ihre Hypothese muss nun von anderen Forschungsarbeiten mit empirischen Daten untermauert werden.

Schutz vor äußeren Bedrohungen

Die Studie legt nahe, dass genetische Alterung bei Bäumen nicht die größte Herausforderung zu sein scheint. Vielmehr sind es Krankheiten oder äußere Einflüsse, der Mensch inbegriffen, die Schuld am Tod von Bäumen haben. Ihr Schutz ist vor dem Hintergrund ihrer ökologischen Bedeutung allerdings essentiell, doch Schutzmaßnahmen müssen langfristig geplant und umgesetzt werden (Vgl. „Schutz für die grauen Eminenzen“).

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