Taktgeber für die Pollenproduktion

Jasmonat ermöglicht es Pflanzen, die Pollenreifung in den Blüten und deren anschließende Freisetzung zeitlich aufeinander abzustimmen. In einem komplexen Wechselspiel arbeitet die Jasmonsäure mit einem anderen Hormon, Ethylen, zusammen. Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle haben dieses Wechselspiel an Tomatenblüten genauer untersucht und neue Einblicke in die unterschiedliche Ausprägung generativer Prozesse bei Blütenpflanzen gewonnen.

Vom Winde verweht, auf der Wasseroberfläche schwimmend oder als blinder Passagier an Insekten haftend. Seit schätzungsweise 300 Millionen Jahren setzen Samenpflanzen Pollen frei. Bei günstigem Wind, warmen und trockenem Wetter können es sogar mehrere Hundert Kilometer sein, die ein Pollen fliegt. Bevor es jedoch so weit ist, müssen die Pollen startklar gemacht werden und auch der Staubbeutel muss sich zum richtigen Zeitpunkt öffnen. Bekannt war, dass das Pflanzenhormon Jasmonat bzw. die Hormongruppe der Jasmonate dabei eine Rolle spielt. Neu dagegen ist jedoch, dass zumindest in den Tomatenblüten ein weiteres Pflanzenhormon involviert ist, wie Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle nun herausgefunden haben. Die Rede ist von Ethylen. Die Erkenntnisse liefern nicht nur neue Einblicke in die Pollenbildung von Tomaten (Solanum lycopersicum), sondern werfen auch ein vollkommen neues Licht auf die Wirkungsweise der beiden Pflanzenhormone. Doch der Reihe nach.

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Jasmonat macht Pollen startklar

Bevor der Pollen seine Reise antritt, muss er im Staubbeutel mit Nährstoffen angereichert, mit einer schützenden Hülle (Sporoderm) versehen und flugfähig gemacht werden. Zwei aufeinanderfolgende Zellteilungen, eine meiotische und eine mitotische, lassen aus einer Pollenmutterzelle männliche Keimzellen (Gameten) hervorgehen. Parallel dazu muss der Staubbeutel sukzessive trocken gelegt werden, damit er sich pünktlich zum Abflug öffnet. Das Pflanzenhormon Jasmonat ist an all diesen Vorgängen innerhalb des Staubbeutels beteiligt.

So wurde in früheren Versuchen an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana beobachtet, dass diese ohne die Hilfe des Pflanzenhormons keine funktionsfähigen Pollen entwickelten. Die Arabidopsis-Pflanzen waren „männlich steril“, also nicht fortpflanzungsfähig. Die pollenbildende Organe jener Pflanzen, bestehend aus den schmalen, fadenförmigen Staubfäden, die Filamente, und den daran befestigten Staubbeuteln, die Antheren, waren nicht vollständig entwickelt.

Lässt Ethylen die Staubbeutel von Tomaten frühzeitig altern?

Bei Versuchen an Tomaten zeigte sich ein ähnliches Bild, jedoch verbunden mit einem Unterschied: Die Staubbeutel zeigten frühzeitige Anzeichen der Alterung. Sie waren verfärbt und ausgetrocknet, zeigten Risse, die früher als sonst aufsprangen und Pollen freisetzten, die weder überlebens- noch flugfähig waren. Die damals beteiligten Forscher konnten sich diesen Unterschied nicht erklären, vermuteten aber, dass anders als bei den Arabidopsis-Pflanzen ein weiteres Hormon seine Finger im Spiel haben könnte. Ein Hormon, das für seine Wirkung und Beteiligung an Alterungsprozessen, wie z. B. die Fruchtreife oder der Blattabwurf, bestens bekannt ist: Ethylen.

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Um dieser Vermutung nachzugehen, verglichen die Forscher verschiedene Tomatensorten miteinander. Auf der einen Seite herkömmliche Wildtomaten, auf der anderen Seite Tomaten, denen die Fähigkeit fehlte, Jasmonate zu bilden. Wie erwartet geriet bei Letzteren die Pollenproduktion ins Stocken und auch die Alterserscheinungen wurden wieder sichtbar. Zwar bildeten sich nach wie vor Pollen, jedoch waren diese in puncto Wasser und Nährstoffe deutlich unterversorgt, was Hand in Hand geht, da Wasser das Lösungs- und Transportmittel für Nährstoffe ist. Auch begannen die Anthere erneut, frühzeitig auszutrocknen und aufzureißen.

Ohne Jasmonate wird das Ethylen zu früh und zu stark aktiv

Im Vergleich mit den Wildpflanzen zeigte sich, dass sich die Aktivität von rund 450 Genen verändert hatte. Darunter auch solche , die für die Produktion von Ethylen verantwortlich sind. Diese wurden, wie die Forscher beobachteten, wegen des fehlenden Jasmonats früher aktiv. Grund war ein fehlendes Protein, ein negativer Transkriptionsfaktor, welches das Abrufen der genetischen Informationen für die Ethylen-Produktion nicht mehr verhinderte. Die Konsequenz: Während sich in den Antheren der Wildtomaten der Jasmonatgehalt gerade auf seinem Höchstwert eingependelte, wurden bei den anderen Tomaten bereits unmittelbare Ethylen-Vorstufen produziert, insbesondere Amino-Cyclopropan-Carbonsäure (ACC). Das Fazit der Forscher: Fehlen die Jasmonate, dann wirkt das Ethylen zu früh und zu stark.

Ethylen fördert Wasserentzug

Das frühe Einsetzen der Ethylenproduktion gefolgt von einem raschen Anstieg der Konzentration in den Antheren hatte fatale Folgen. Bei den betroffenen Tomaten beeinträchtigte das fehlende Jasmonat nicht nur die Wasser- und Nährstoffversorgung, sondern ließ auch der Ethylen-Produktion freien Lauf. Wie die Forscher herausfanden, aktivierte die hohe Präsenz des Ethylens frühzeitig Prozesse, die den Staubbeuteln das Wasser entzogen, woraufhin diese Risse bekamen und aufsprangen. Die Folgen in der Zusammenfassung: Unterentwickelte, für die Befruchtung untaugliche Pollen, die zudem vorzeitig freigesetzt wurden.

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Wenn sich Agonisten in die Quere kommen

Das Entscheidende an der Entdeckung der Forscher am IPB sind im Grunde zweierlei Dinge: Da ist zum einen die bisher unterschätzte Rolle des Ethylens im Kontext der Pollenbildung in Tomatenblüten. Zum anderen – und hier kann man fast von einer kleinen Sensation sprechen – wirft die Entdeckung der Forscher ein völlig neues Bild auf die beiden Pflanzenhormone Jasmonat und Ethylen: Bis zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der Studie ging die Wissenschaft davon aus, dass Jasmonat und Ethylen Agonisten seien, sich bezogen auf ihre Wirkung stets ergänzen würden. Dass sich beide nun derart in die Quere kommen und in ihrer Wirkung hemmen, war bisher nicht bekannt.

Der Hort der Jasmonatforschung

Die Entdeckung reiht sich ein in die Arbeit des IPB, das heute nicht nur als Hort der Jasmonatforschung gilt. Schließlich wurde dort im Jahr 1981 das Jasmonat erstmals untersucht. Nirgendwo sonst wurden und werden aber nach wie vor die meisten der bisher bekannten Pflanzenhormone untersucht als in Halle.