Unbekannter Mechanismus bei der Fortpflanzung entdeckt

Wie Pollenschläuche zu den Eizellen finden

23.03.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Blütenpflanzen wachsen bereits seit mehreren Millionen Jahren auf der Erde. Sie bilden Samen aus und verbreiten sich dadurch. (Bildquelle: © Kropsoq/wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)
Blütenpflanzen wachsen bereits seit mehreren Millionen Jahren auf der Erde. Sie bilden Samen aus und verbreiten sich dadurch. (Bildquelle: © Kropsoq/wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)

Für alles Leben auf der Erde ist die Fortpflanzung ein Schlüsselprozess. Informationen bleiben erhalten, werden weitergegeben und punktuell verändert. Sie ist das Merkmal allen Lebens. Viele Organismen nutzen das Prinzip der Befruchtung. Spezialisierte Keimzellen verschmelzen miteinander, so dass man von einer geschlechtlichen Fortpflanzung spricht. So auch bei den Blütenpflanzen. Sperma- und Eizellen müssen zueinanderfinden – ein komplizierter Prozess. Wissenschaftler identifizierten den Mechanismus, der den Pollenschlauch der männlichen Keimzelle zur weiblichen Eizelle führt.

Pflanzensamen wie Getreide zum Beispiel Reis oder Sojabohnen sind Basis für die tägliche Ernährung. Auch Obst- und Gemüsearten entwickeln sich aus Samen. Damit eine Pflanze Samen bilden kann, müssen die männlichen und weiblichen Organe der Pflanze zueinanderfinden und sich befruchten. Das männliche Organ einer Blütenpflanze besteht aus Pollen, die wiederum die Spermazellen enthalten. Pollen entsteht im Staubblatt (Stamen). Bei der Befruchtung, die in Eigenregie bei Selbstbefruchtung oder Wind und Insekten bei Fremdbefruchtung erfolgt, wächst der Pollenschlauch aus den Pollenkörnern heraus. Er wächst so lange weiter, bis er die Eizelle tief im Inneren des Stempels erreicht hat. Dort liefert er die Spermazelle an die Eizelle aus – die Befruchtung ist vollzogen.

LURE Peptide locken Pollenschläuche an

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Wenn der Pollen vom Staubblatt (Stamen) den Stempel (Pistill) erreicht, beginnt der Pollenschlauch in Richtung der Innenseite des Pistill zu wachsen. Der Pollenschlauch wächst so lange, bis er die Samenanlage (Ovule) erreicht hat und die Befruchtung einer Eizelle stattfinden kann. Pollenschläuche werden bei der Befruchtung von sogenannten LURE Peptiden zu den Eizellen gelockt.

Quelle: © Nagoya University

Blütenpflanzen bevölkern bereits seit mehr als 100 Millionen Jahren die Erde, doch welche molekularbiologischen Prozesse sich bei der Fortpflanzung abspielen, ist immer noch nicht genau bekannt. Vor wenigen Jahren haben Wissenschaftler bereits herausgefunden, dass die Pollenschläuche bei der Befruchtung von sogenannten LURE Peptiden zu den Eizellen gelockt werden. Diese Peptide entstehen in den Eizellen.

Nun konnten Forscher zeigen, welcher Rezeptor in den Pollenschläuchen die LURE Peptide erkennt. Das ist nicht nur ein beachtlicher Fortschritt für die Grundlagenforschung, mit diesem Wissen lässt sich auch das Wachstum des Pollenschlauches verändern, was wiederum zu einer verbesserten Fertilisationsrate für Nutz- und Zierpflanzen führen kann. Vorstellbar sind auch grundsätzlich neue Methoden, mit denen sich durch Kreuzfertilisation neue Nachkommenpflanzen erzeugen lassen.

LURE Peptide wirken nicht artübergreifend

Die Untersuchungen von LURE Peptiden zeigte: Die Struktur von LURE ist von Pflanzenart zu Pflanzenart unterschiedlich. Außerdem wirken die LURE Peptide einer bestimmten Pflanzenart nur auf Pollenschläuche derselben Art anziehend. So wird die Befruchtung innerhalb einer Art sichergestellt. LURE scheint dabei die Schlüsselkomponente zu sein, die das weibliche Organ produziert, um das passende männliche anzuziehen. Doch wie genau der Pollenschlauch LURE wahrnimmt und dann innerhalb des Pistilliums, also dem Stempel der Blüte, so heranwächst, dass er die LURE Peptide auch detektieren kann, war bisher unbekannt.

PRK6-Rezeptor für die LURE Erkennung verantwortlich

Um Licht ins Dunkel zu bringen, untersuchten die Wissenschaftler zunächst alle 23 Kinase-Rezeptoren, die sich an der Membranoberfläche des Pollenschlauches der Modellpflanze Arabidopsis thaliana befinden. Kinasen sind Enzyme die zu den Transferasen gehören, da sie Reaktionen katalysieren. Rezeptoren, wie die Kinase-Rezeptoren sind transmembrane Erkennungssequenzen, an denen ein solcher Katalysator binden kann.

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Auch bei unserer täglichen Ernährung spielen Pflanzensamen wie Reis eine große Rolle. Damit sich ein Samen bilden kann, bedarf es zuerst einer Befruchtung - ein komplizierter Prozess, bei dem Sperma- und Eizellen zueinander finden müssen. 

Auch bei unserer täglichen Ernährung spielen Pflanzensamen wie Reis eine große Rolle. Damit sich ein Samen bilden kann, bedarf es zuerst einer Befruchtung - ein komplizierter Prozess, bei dem Sperma- und Eizellen zueinander finden müssen. 

Quelle: © cameraobscura / pixelio.de

Als die Forscher die Rezeptoren einzeln deaktivierten, zeigte sich, dass der PRK6-Rezeptor für die LURE Erkennung verantwortlich ist. Dabei arbeitet PRK6 mit anderen PRK-Rezeptoren zusammen, um LURE aufzuspüren und den Pollenschlauch bis zur richtigen Position wachsen zu lassen. Versuche mit fluoreszierenden PRK6-Rezeptoren zeigten: Wächst der Pollenschlauch in eine Richtung, ist PRK6 gleichmäßig auf der Zellmembran verteilt. Nach Zugabe von LURE zum Pollenschlauch, bewegt sich PRK6 in Richtung Spitze des Pollenschlauches zu LURE. Der Pollenschlauch ändert seine Wuchsrichtung und bewegt sich auf LURE zu.

Potential für Nahrungssicherung

Pollenschläuche müssen die Eizellen mit hoher Präzision aufspüren, um durch die erfolgreiche Befruchtung den Erhalt der Art zu sichern. Auch für unsere Nahrungsgrundlage ist dieser molekularbiologische Prozess sehr wichtig, denn ohne Samen entstehen keine Früchte.

Weitere Versuche der Wissenschaftler zeigten, dass sich das PRK6-Gen einer Art auch in eine andere übertragen lässt. Wird das Gen in der neuen Art abgelesen, wirkte sich das auch anziehend auf den Pollenschlauch der fremden Art aus, aus welcher das PRK6-gen stammt. Auf diese Weise könnte es möglich sein, dass auch unterschiedliche Arten zu  Kreuzungspartnern werden. Besonders widerstandsfähige und ertragreiche Pflanzen könnten ein Ziel sein, aber auch komplett neue Nahrungspflanzen. Auch wenn dies durch die Diskussionen um das Für und Wider der Gentechnik der letzten Jahre erschreckend wirkt, so bleibt der Fakt, dass alle unsere Kulturpflanzen so in der Natur nie entstanden wären. Es sind Mutanten, denen wir unsere Nahrung verdanken.

Ein anderer Ansatz auf Grundlage des aktuellen Kenntnisstandes könnte die Applikation spezieller chemischer Verbindungen sein, mit denen sich die Fertilisationsrate von Nutzpflanzen durch Beeinflussung des PRK6-Rezeptors steigern lässt. Ertragssteigerungen wären so möglich. Aber das sind mögliche Optionen für Anwendungen. Im Moment geht es den Forschern um das Verständnis eines der fundamentalen Prinzipien des Lebens.  

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