Wenig Romantik, hohe Effizienz

Mit äußerster Präzision gewähren die weiblichen Samenzellen von Blütenpflanzen den männlichen nur solange Zugang, bis die Befruchtung erfolgreich war. Ihre äußerst effektive Vermehrung könnte ein Grund dafür sein, warum Blütenpflanzen sich fast überall auf der Erde ausbreiten konnten.

Blumen, die Symbole der Romantik, regeln ihre Vermehrung wenig romantisch. Wissenschaftler fanden nun heraus, dass Blütenpflanzen bei ihrer Fortpflanzung kaum etwas dem Zufall überlassen. Bei der doppelten Befruchtung, einer Eigenheit der Blütenpflanzen, empfangen die zwei weiblichen Eizellen in einer Blüte genau so lange männliche Zellen, bis ihre Befruchtung erfolgreich war. Nicht länger und nicht kürzer.

Doppelte Befruchtung

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Bei der Bestäubung wird der Pollen mit den darin befindlichen unbeweglichen männlichen Spermazellen durch Wind, Wasser oder Insekten auf die empfänglichen weiblichen Blütenteile übertragen. Der weibliche Teil der Blüte ist das Fruchtblatt (Stempel). Er besteht aus Narbe, Griffel und Fruchtknoten. Sobald der Kontakt des Pollens mit der Narbe stattgefunden hat, bildet der Pollen bei den Angiospermen einen sogenannten Pollenschlauch aus, der in die Narbe hinein und den Griffel hinunter wächst. Der Pollen gelangt durch den Pollenschlauch zum Fruchtknoten, wo in den Samenanlagen die doppelte Befruchtung stattfindet.

Doppelt deshalb, weil sich in jeder Samenanlage genau zwei weibliche Zellen befinden. Bei der Befruchtung verschmilzt der Kern einer männlichen Spermazelle mit dem einer dieser weiblichen Zellen. Daraus entsteht der Embryo. Ein weiterer männlicher Kern verschmilzt mit dem Embryosackkern, der später das Nährgewebe für den Embryo bildet. Das könnte ein ziemlich chaotischer Prozess sein. Doch die Pflanze reguliert den Zugang zu den Samenanlagen streng. Exakt zwei fruchtbare männliche Spermazellen haben Zugang zu den beiden weiblichen Zellen – nicht mehr und nicht weniger. So bleibt keine weibliche Zelle unbefruchtet. Wie genau dieser Vorgang geregelt ist, haben Wissenschaftler nun herausgefunden.

So wenig wie möglich, so viel wie nötig

„Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der verhindert, dass überschüssige Pollenschläuche zu viele männliche Spermazellen liefern“, erklärt Mark Johnson, einer der Studienautoren und Professor an der Brown University in Providence, USA. „Die Pflanze kann die Befruchtung aber auch wiederholen, wenn der erste Vater sozusagen ein Blindgänger war“, so Johnson. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die weiblichen Samenanlagen erst dann keine Pollenschläuche mehr anlocken, wenn  die Verschmelzung der beiden weiblichen Samenzellen mit zwei männlichen Samenzellen erfolgreich war. So geht keine Eizelle leer aus. „Zuvor nahm man an, dass bereits der Eintritt des Pollenschlauches in die Samenanlage diese für weitere Pollenschläuche unzugänglich macht“, erklärt Kristin Beale, Erstautorin der Studie. „Wir konnten zeigen, dass erst der Prozess der Gametenverschmelzung weitere Pollenschläuche vom Eindringen abhält.“  Mark Johnson erklärt den möglichen Grund dafür: “Vor einer Verschmelzung gibt es keine Garantie für eine erfolgreiche Samenausbildung.“ Und auf die ist die Pflanze zur sicheren Vermehrung angewiesen.

Mutanten weisen den Weg

Wissenschaftler untersuchen die Reproduktion von Pflanzen bereits seit Jahrhunderten. Doch erst jüngste Erfindungen machten diesen speziellen Fortpflanzungsmechanismus sichtbar. Zunächst fand das Forscherteam eine passende genetische Mutante für seine Experimente mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Diese Mutante lässt zwar einen Pollenschlauch zur Samenanlage wachsen, der dann platzt, um die männlichen Spermazellen zu entlassen, wie es bei nicht mutierten Pflanzen der Fall ist. Aber die männlichen Zellen der Mutante sind nicht in der Lage, mit den weiblichen Zellen zu verschmelzen. „Man könnte sie also als Blindgänger bezeichnen“, erläutert Johnson. Mit verschiedenen Floureszenzfärbungen und dem sog. Life Cell Imaging, bei dem lebende Zellen unter naturnahen Bedingungen im Mikroskop betrachtet werden, konnten die Wissenschaftler genau beobachten, wie verschiedene Pollenschläuche mit den Samenanlagen interagieren.

Gesundes Sperma, ein Pollenschlauch

Schickten die Forscher nur gesunde und fruchtbare männliche Spermazellen durch die Pollenschläuche, fanden sie bei nur einem Prozent der Samenanlagen mehrere Pollenschläuche. Die Samenanlagen lockten bei gesunden Spermazellen also in den allermeisten Fällen keine überflüssigen Pollenschläuche an.

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Impotentes Sperma, mehrere Pollenschläuche

War jedoch jede vierte männliche Spermazelle ein unfruchtbarer Blindgänger, nahm die Anzahl der angelockten Pollenschläuche um das zehnfache zu. Eine Samenanlage, die die Forscher beobachteten, musste sogar vier Pollenschläuche anlocken, bis die Befruchtung erfolgreich war. „In unseren Experimenten haben wie niemals Samenanlagen gesehen, die von zwei oder mehr Pollenschläuchen anvisiert wurden, wenn ausschließlich gesunde männliche Spermazellen im Spiel waren“, schreiben die Wissenschaftler in ihrer Veröffentlichung im Magazin “Current Biology“. Nur wenn eine Samenanlage von einer defekten männlichen Zelle heimgesucht wurde, war sie in der Lage, weitere Pollenschläuche anzuziehen.

Wie die Wissenschaftler herausfanden sind für das Anlocken der Pollenschläuche spezialisierte Zellen innerhalb der Samenanlage verantwortlich. Diese Synergid-Zellen kommunizieren mit den Pollenschläuchen mit Botenstoffen, den sogenannten LURES („to lure“ engl. locken), damit diese den Weg zu den weiblichen Zellen finden. Sobald Pollen mit den weiblichen Zellen verschmelzen, werden die Synergid-Zellen abgebaut. Auf diese Weise setzt die Pflanze Signalwege in Gang, mit denen die Samenanlage allen weiteren Pollenschläuchen die Tür vor der Nase zuschlägt.

Bei den mutierten Blindgängern, die nicht mit der Eizelle fusionierten, so fanden die Forscher heraus, blieb jedoch mindestens eine der beiden Synergid-Zellen intakt und lockte weitere Pollenschläuche an. Der Abbau der Synergid-Zellen ist demnach der entscheidende Mechnismus durch den,  wirklich jede Samenanlage die exakt richtige Anzahl an gesunden männlichen Spermazellen erhält. So betrachtet gehören Blumen wohl zu den fruchtbarsten Geschöpfen dieser Erde. Und wenn sich Schönheit so zielsicher verbreitet, erinnert das vielleicht doch ein wenig an Romantik.