Pflanzliche Stammzellen
Ruhen oder teilen – WOX5 entscheidet
Damit Pflanzen wachsen können, müssen Stammzellen sich teilen und differenzieren. (Bildquelle: © The Cookiemonster / Wikimedia, CC BY-SA 2.0)
Das Signalmolekül WOX5 spielt eine entscheidende Rolle dabei, Wurzelstammzellen in ihrem Ruhezustand zu bewahren. Eine neue Studie zeigt jetzt, welche unerwarteten Nebenjobs dieses Molekül außerdem übernimmt und dass der Ruhezustand so ruhig gar nicht ist.
An der Spitze von Blättern, Blüten und Wurzeln besitzen Pflanzen ein ganz besonderes Gewebe: das Meristem. Dort befinden sich Stammzellen, die sich teilen und in andere Zelltypen weiterentwickeln können. Dadurch kann die Pflanze wachsen. Dieser Prozess muss jedoch äußerst präzise reguliert werden, damit die Stammzellen nicht unkontrolliert wuchern.
Schema einer Wurzelspitze mit dem Meristem (1). Weitere Zelltypen: Wurzelhaube (2) Rhizodermis (3), Dermatogen (4, bildet Exodermis), Periblem (5, bildet Rinde), Plerom (6, bildet Zentralzylinder).
Bildquelle: © Griensteidl - Strasburger, et all: Lehrbuch der Botanik für Hochschulen. 4. Auflage, Gustav Fischer, Jena 1900 / Wikimedia, gemeinfrei
Der Großteil der Stammzellen befindet sich in einem Ruhezustand, der über Signale aus dem benachbarten Ruhezentrum aufrechterhalten wird. Entfernt man das Ruhezentrum aus dem Meristem, hören die Stammzellen auf, sich zu teilen, und beginnen mit der Differenzierung. Es war bereits bekannt, dass der Transkriptionsfaktor WOX5 (WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 5) für die Aufrechterhaltung des Ruhezentrums verantwortlich ist. Doch die genauen Signalwege waren bislang noch unerforscht.
Unerwartete Signalwege von WOX5
Jetzt hat ein Team um Professor Thomas Laux von der Universität Freiburg gezeigt, welche Gene von WOX5 aktiviert, beziehungsweise unterdrückt werden. Neben den bereits bekannten Funktionen, wie der Unterdrückung von Zellteilung und -differenzierung gab es auch unerwartete Ergebnisse: So ist WOX5 auch am Nitrattransport beteiligt. „Unsere Ergebnisse bestätigen, dass WOX5 Schlüsseleigenschaften der Ruhezellen reguliert, aber es tut das in einer viel umfangreicheren Weise als bisher gedacht“, schreiben die Autoren.
Ihre Forschung führten sie an der Columella-Stammzellnische in den Wurzeln von Arabidopsis durch, weil diese besonders einfach aufgebaut ist. Sie besteht aus dem Ruhezentrum, einer Schicht von Columella-Stammzellen und mehreren Schichten von differenzierten Columella-Zellen. Bei Letzteren handelt es sich um besondere Zellen, welche die Richtung der Erdanziehung wahrnehmen können und es somit ermöglichen, dass die Wurzeln gezielt nach unten wachsen.
FANS ermöglicht vergleichende Transkriptomanalyse
Mit einer Technik namens FANS – Fluoreszenz-aktivierte Zellkernsortierung – erforschten sie zunächst das Transkriptom der zwei Zelltypen, also den Zellen des Ruhezenters (QC) und den Columella-Zellen (CC).
Die Spitze einer Pflanzenwurzel unter dem Fluoreszenzmikroskop. Grün markiert sind die Zellen, in denen WOX5 aktiv ist.
Bildquelle: © Thomas Laux / Universität Freiburg
Sie fanden heraus, dass in den Ruhezellen 1709 Gene stärker exprimiert wurden als in den Columella-Zellen. Darunter befanden sich Gene, die mit der Chromatinmodifikation, der Erhaltung des Meristems und dem Zellzyklus assoziiert waren. Umgekehrt waren 2168 Gene in den Columella-Zellen hochgefahren. Sie betreffen vor allem die Wurzelhaubenentwicklung und die Differenzierung.
Durch den Vergleich von Mutanten ohne WOX5 mit Wildtyp-Pflanzen konnte das Forscherteam zudem zeigen, welcher Anteil der unterschiedlich regulierten Gene auf die Aktivität von WOX5 zurückzuführen ist: 1423 Gene wurden von WOX5 positiv reguliert, 947 negativ. WOX5 ist also mitnichten vor allem ein Repressor.
CUT&RUN gibt Einblicke in die Architektur des Chromatins
Als nächstes kam eine Technik namens CUT&RUN zum Einsatz, mit der die Histonmodifikationen und die Zugänglichkeit des Chromatins untersucht werden können. Auch hier zeigten sich große Unterschiede zwischen den Ruhezellen und den Columella-Zellen. Interessanterweise wiesen Ruhezellen häufiger einen sogenannten bivalenten Zustand des Chromatins auf, bei dem aktivierende und unterdrückende Histonmodifikationen sich überlappen.
Und noch etwas überrascht: In den Ruhezellen beeinflusst WOX5 die Expression einer Gruppe von Genen, die eigentlich mit reifem Wurzelgewebe assoziiert sind (wenn auch die Expressionslevel der Gene in den Ruhezellen deutlich niedriger sind). Das deutet darauf hin, dass die Zellen im Ruhezentrum nicht nur Stammzellen sind, sondern bereits auf ihr Schicksal als Wurzelzellen vorbereitet werden.
Parallele zu tierischen Muskelzellen
Eine Parallele dazu gibt es bei Muskelstammzellen in tierischem Gewebe, wo ein solches Priming bekannt ist, damit bei Verletzung schnell neues Muskelgewebe gebildet werden kann. Auch das Ruhezentrum in der Pflanzenwurzel soll im Fall einer Verletzung schnell neues Wurzelgewebe synthetisieren. Es scheint also plausibel, dass hier ein ähnlicher Mechanismus vorhanden ist. Doch um dies zu bestätigen, sind noch weitere Studien nötig.
Quelle:
Zhang N, Bitterli P, Oluoch P, Hermann M, Aichinger E, Groot EP, Laux T. Deciphering the molecular logic of WOX5 function in the root stem cell organizer. EMBO J. 2025 Jan;44(1):281-303. doi: 10.1038/s44318-024-00302-2
Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:
- Molekularer Schalter entdeckt – WOX5 entscheidet über Schicksal von Stammzellen
- Ursprung der Stammzellen entdeckt – WOX2 an Entstehung von Stammzellen beteiligt
- Finetuning des Wurzelwachstums – Das Gen EGT1 reguliert die Wurzelkrümmung der Gerste
Titelbild: Damit Pflanzen wachsen können, müssen Stammzellen sich teilen und differenzieren. (Bildquelle: © The Cookiemonster / Wikimedia, CC BY-SA 2.0)
