Süßer Signalweg

Der Zucker Callose reguliert die Kommunikation zwischen Pflanzenzellen während der Entwicklung, indem er Plasmodesmen weitet oder verengt.

Wie alle mehrzelligen Organismen benötigen Pflanzen Wege, über die ihre Zellen miteinander kommunizieren können. Dazu haben Pflanzen die Möglichkeiten, Signalstoffe direkt von einer Zelle in eine benachbarte zu transportieren: die Plasmodesmen. Dabei handelt es sich um Kanäle, die von einer Plasmamembran umgeben sind und durch Löcher in den Zellwänden beide Zellen verbinden. In „Developmental Cell“ hat jetzt ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universitäten Tübingen und Erlangen gezeigt, wie Zellen während der pflanzlichen Entwicklung die Weite der Plasmodesmen regulieren. Diese Steuerung ist nötig, um unterschiedlich großen Signalmolekülen die Passage zu ermöglichen – oder sie zu unterbinden.

Bereits zuvor hat es Belege dafür gegeben, dass Pflanzen zu genau diesem Mechanismus fähig sind. Unklar blieb jedoch, wie sie diesen koordinieren. Einige Studien legten eine Schlüsselfunktion des pflanzlichen Mehrfachzuckers Callose nahe. Dessen Abbau verstärkte den Molekülverkehr durch die Plasmodesmen, während eine Anhäufung des Zuckers die Aktivität in den Plasmakanälen einschränkte.

Mittels genetischer Methoden haben die Pflanzenforscher jetzt in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gezielt die Menge Callose an den Plasmodesmen reguliert und den Effekt beobachtet. Tatsächlich konnten sie so den Fluss innerhalb der Plasmakanäle steuern – mit maßgeblichem Effekt auf die Kommunikation zwischen den Zellen und damit auf die pflanzliche Entwicklung.

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So führte eine Gain-of-funtion-Mutation des Gens CALS3 (Callose Synthase 3) dazu, dass sich vermehrt Callose an den Plasmodesmen sammelte. Der Durchmesser der Kanäle verringerte sich, der Verkehr zwischen den Zellen nahm ab, und die Wurzelentwicklung war gestört. Vermutlich kann die Pflanze bei Bedarf die Aktivität von CALS3 in Wildtyp-Form unterdrücken, was ihr bei der Gain-of-function-Mutation nicht mehr möglich scheint.

Schalteten die Forscher die Phloem-spezifische Callose-Synthase CALS7 aus und überexprimierten das Protein CALS3 während der Phloem-Entwicklung, ersetzte CALS3 dort die Funktion von CALS7. Somit gehört CALS3 nachweislich zur Gruppe der Callose-Synthasen und ist die erste, bei der eine direkte Wirkung auf die Weite des Plasmodesmen gezeigt werden konnte.

Mittels unterschiedlicher CALS3-Allele konnten die Forscher gezielt räumlich und zeitliche die Weite der Plasmodesmen steuern und auf diese Weise dokumentieren, dass der Transkriptionsfaktor SHORT-ROOT und die microRNA165 sich zwischen Leitbündel und Endodermis durch die Plasmodesmen bewegen – der gleichzeitige Beweis, dass die Synthese von Callose an den Plasmodesmen essenziell ist für die Kommunikation zwischen den pflanzlichen Zellen während der Entwicklung.