Wie entstehen Blattformen?

Transkriptionsfaktor unterdrückt Ausbildung von Nebenblättern

23.11.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Jede Pflanze hat eine artspezifische Blattform. (Bildquelle: © Pixabay; CC0)
Jede Pflanze hat eine artspezifische Blattform. (Bildquelle: © Pixabay; CC0)

Eiche, Buche, Gänseblümchen: Jede Pflanze hat eine artspezifische Blattform. Warum eigentlich? Wer steuert die charakteristische Ausprägung der Blattform? Mit dieser Frage haben sich Wissenschaftler des Kölner Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung beschäftigt.

Groß, klein, gefächert, rund, oval. Blätter gibt es in einer schier unerschöpflichen Vielfalt. Doch wie werden Blattform und -größe genetisch gesteuert?

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Nebenblätter wachsen an der Basis des Blattstiels. Sie bleiben unscheinbar, wenn sie wie beim Gartenschaumkraut durch das LMI1-Gen in ihrem Wachstum gehemmt werden (links). Ist LMI1 mutiert, wachsen Nebenblätter als zusätzliche Blätter (Mitte). In Erbsenblättern ist das Gen an der Spitze aktiv und steuert dort die Bildung der Blattranken (rechts). In den Nebenblättern ist LMI1 dagegen inaktiv. Erbsen besitzen daher ausgeprägte Nebenblätter.

Quelle: © Peter Huijser

Die Form eines Blattes entsteht durch die Produktion sich wiederholender, kleiner Überstände am Blattrand. Diese Auswüchse reichen von leichten Zacken in einfachen Blättern bis hin zu ausgeprägten Einzel-Blättern in gefiederten Blättern. Auch die sogenannten Nebenblätter tragen zur evolutionären Vielfalt der Blattformen bei, wie Charles Darwin im Jahr 1865 bereits mutmaßte. Wie das Wachstum und die Entwicklung der Nebenblätter reguliert ist, war bisher nur wenig verstanden.

Größe der Nebenblätter variiert je nach Pflanzenart stark

Nebenblätter bilden sich an der Basis eines Blattes und variieren stark in Größe und Funktion zwischen verschiedenen Pflanzenarten. Bei manchen Pflanzen wie der Ackerschmalwand machen die Nebenblätter bei jungen Jungpflanzen einen großen Anteil des Blattgewebes aus, bilden sich im Laufen der Zeit aber zu winzig kleinen Strukturen am unteren Ende des Blattstils zurück. In anderen Pflanzen wie Erbsen sind Nebenblätter ein Hauptbestandteil des ausgewachsenen Blattes.

LMI1 hält Nebenblätter klein

Wissenschaftler des Kölner Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung konnten nun in umfangreichen Labortests zeigen, dass der Transkriptionsfaktor LATE MERISTEM IDENTITY1 (LMI1) die Größe der Nebenblätter bestimmt.

Während der Blattentwicklung aktiviert LMI1 den konservierten Mitose-Blocker WEE1. In der Folge teilen sich die Zellen nicht mehr. Während die Zellzahl unverändert bleibt, wachsen jedoch die Zellen. „Diese Form der Zellreifung verhindert, dass sich die Zellen zu anderen Zelltypen weiterentwickeln können, und begrenzt den Pool an Zellen, der für weiteres Gewebewachstum zur Verfügung steht“, schreiben die Forscher. „Das Blatt bleibt trotz der größeren Zellen kleiner“, erklärt Francesco Vuolo vom MPI in Köln.

Erbsenblatt: LMI1 formt charakteristische Ranken

Um zu überprüfen, ob LMI1 auch bei anderen Pflanzen die Blattform beeinflusst, haben die Wissenschaftler die Blätter der Erbsenpflanze untersucht.

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines jungen Blattes einer unveränderten (links) und einer mutierten Variante des Gartenschaumkrauts (rechts).

Quelle: © Peter Huijser

Erbsen besitzen gefiederte Blätter. Am oberen Blattstilende bildet die Erbsenpflanze Ranken aus. Der Transkriptionsfaktor LMI1 wird bei der Erbse nicht in den großen blattähnlichen Nebenblättern produziert, sondern nur im oberen Teil des Erbsenblatts, wo sich fadenartige Ranken bilden. „Die Zellen in den Ranken wachsen ebenfalls stärker und teilen sich nicht“, so Vuolo. Die Forscher mutmaßen: Das Muster der LMI1-Produktion im Erbsenblatt ist wahrscheinlich für dessen charakteristische Form mit fadenförmigen Ranken an der Blattspitze und großen Nebenblättern an der Basis verantwortlich.

Neue Pflanzensorten für die Landwirtschaft?

Die Forschungsergebnisse zeigen, wie sich das Zellwachstum auf die Ausprägung von Blattform und -größe auswirkt. Sie verdeutlichen auch, dass LMI1 die Ausprägung von Nebenblättern unterdrückt. Miltos Tsiantis, Direktor am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, dazu: „Unsere Ergebnisse könnten dazu beitragen, eines Tages neue Pflanzensorten für die Landwirtschaft mit veränderten Blättern oder anderen Organen zu züchten. So untersuchen wir derzeit den Einfluss von LMI1 auf das Wachstum von Tomaten.“ 

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