Blütenpflanzen: Eizelle aktiviert Spermium

23.11.2012 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Interaktion von Ei- und Spermienzelle bei der Befruchtung von Blütenpflanzen haben die Forscher in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht (Quelle: © Alberto Salguero / wikimedia.org; CC BY-SA 3.0).
Die Interaktion von Ei- und Spermienzelle bei der Befruchtung von Blütenpflanzen haben die Forscher in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht (Quelle: © Alberto Salguero / wikimedia.org; CC BY-SA 3.0).

In Blütenpflanzen gibt die Eizelle, und nicht wie bei Tieren das Spermium, das Signal zur Befruchtung. Die Eizelle setzt Proteine frei, die die Spermienzelle auf die Vereinigung vorbereitet und die doppelte Befruchtung der Blüten steuern. Unter dem Mikroskop haben Forscher diese molekularen Vorgänge beobachtet.

Blütenpflanzen (Angiospermen) brauchen für die geschlechtliche Fortpflanzung eine doppelte Befruchtung. Über den Pollenschlauch gelangen zwei Spermienzellen in die Samenanlage (Ovulum). Ein Spermium verschmilzt mit der Eizelle – aus ihr entsteht der Pflanzenembryo. Das andere verschmilzt mit dem Embryosackkern, aus dem sich das Nährgewebe für den späteren Keimling, das Endosperm, entwickelt. Ein Forscherteam hat mit Hilfe fluoreszierender Markerproteine fünf Proteine dabei beobachtet, wie sie die Verschmelzung von Ei- und Samenzellen während der Befruchtung von Arabidopsis-Pflanzen kontrollieren. 

Die Eizelle übernimmt die Führung

Mit Hilfe einer Transkriptomanalyse identifizierten die Forscher fünf Gene, die für die Interaktion zwischen Ei- und Samenzelle bereits vor der Befruchtung eine zentrale Rolle spielen. Diese Gene werden nur in den weiblichen Geschlechtszellen der Arabidopsis-Pflanzen exprimiert. In ihrer Sequenz ähneln sie Genen, die auch in den Eizellen von Weizen besonders aktiv sind (EC1-Gene = EGG CELL1). 

Die EC1-Gene in Arabidopsis kodieren für kleine Cystein-reiche Proteine. Um ihre Funktion vor und während der Befruchtung zu untersuchen, markierten die Forscher die EC1-Proteine mit einem grünen Fluoreszenzmarker-Protein (GFP). In der unbefruchteten Eizelle reicherte sich das EC1 in Vesikeln im Cytoplasma an. Trat ein Spermium in Kontakt mit der Eizelle, verschmolzen die Vesikel an dieser Kontaktstelle mit der Zellmembran der Eizelle und setzten außerhalb der Eizelle EC1-Proteine frei (Exozytose). 

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Vereinfachtes Modell der gegenseitigen Gameten-Aktivierung während der doppelten Befruchtung in Arabidopsis. Vor der Befruchtung reichern sich EC1-Proteine in Vesikeln der Eizelle an (A). Das in den Spermien exprimierte Fusionsgen HAP2/GCS1 wird im Endomembransystem gebunden, ist aber nicht an der Spermienoberfläche vorhanden bevor die Samenzellen den Ort der Gamete-Fusionen erreichen. Die Eizelle sondert gezielt EC1 ab, sobald die Spermien die Stelle der Gamete-Fusionen (B) erreichen. Die EC1-Proteine aktivieren das Endomembransystem der Spermien (B, C) und leiten die Umverteilung von HAP2/GCS1 zur Plasmamembran ein (C). Das EC1 aus der Eizelle stellt sicher, dass die Fusionsproteine das Spermium aktivieren.

Vereinfachtes Modell der gegenseitigen Gameten-Aktivierung während der doppelten Befruchtung in Arabidopsis. Vor der Befruchtung reichern sich EC1-Proteine in Vesikeln der Eizelle an (A). Das in den Spermien exprimierte Fusionsgen HAP2/GCS1 wird im Endomembransystem gebunden, ist aber nicht an der Spermienoberfläche vorhanden bevor die Samenzellen den Ort der Gamete-Fusionen erreichen. Die Eizelle sondert gezielt EC1 ab, sobald die Spermien die Stelle der Gamete-Fusionen (B) erreichen. Die EC1-Proteine aktivieren das Endomembransystem der Spermien (B, C) und leiten die Umverteilung von HAP2/GCS1 zur Plasmamembran ein (C). Das EC1 aus der Eizelle stellt sicher, dass die Fusionsproteine das Spermium aktivieren.

Quelle: © Stefanie Sprunck

EC1 lotst die Spermien zur Eizelle

Die Spermienzellen reagierten auf das EC1. Sie transportierten das Fusionsprotein HAP2/GCS1 an die Spermienoberfläche, wo es die Plasmamembran veränderte. Die Spermien wurden aktiviert – ein komplexer Prozess, im Laufe dessen Spermien für die Penetration in die Eizelle vorbereitet werden. Bis zur doppelten Befruchtung war im extrazellulären Raum zwischen Ei- und Spermienzelle das grüne Leuchten der markierten EC1-Proteine sichtbar. Die Forscher schließen daraus, dass die Eizelle während der Interaktion mit der Spermienzelle gezielt EC1-Proteine absondert und so die Spermien zu der Stelle lockt, wo die Verschmelzung stattfinden soll.

Ohne Interaktion keine Fusion

Für die doppelte Befruchtung von Arabidopsis-Pflanzen ist entscheidend, dass beide Gameten-Fusionen zeitnah und in effizienter Weise stattfinden. Damit die Pflanze korrekt befruchtet wird, darf nur ein Spermienpaar in die Samenanlage transportiert werden. Das simultane Abschalten (Knock-out) einer oder mehrerer EC1-Gene via RNA-Interferenz hatte jedoch keine Folgen für die Befruchtung. Die Wissenschaftler schließen daraus, dass die fünf EC1-Gene in Arabidopsis funktional redundant sind.

Befruchtungs-Studien mit ec1-fünffach Mutanten zeigten dagegen, dass mindestens einer der fünf EC1-Faktoren vorhanden sein muss, damit Spermien mit der Eizelle fusionieren können. In den Pflanzen ohne EC1 funktionierte zwar der Spermientransport in der Samenanlage, die Spermien verschmolzen jedoch nicht mit der Eizelle. Die Folge: Das entscheidende Signal, dass normalerweise den Transport weiterer Spermien in die Samenanlage verhindert, fehlte und ein weiteres Spermienpaar gelangte zur Eizelle. Die doppelte Befruchtung blieb aus.

Einzeller und Blütenpflanzen nutzen ähnliche Befruchtungsstrategien

Demnach ist in Blütenpflanzen bereits vor der Fusion der Gameten eine komplexe Interaktion zwischen Ei- und Spermienzelle notwendig, damit die weiblichen Gameten korrekt befruchtet werden können. Diese Interaktion beinhaltet die gegenseitige Gameten-Aktivierung, die regulierte Exozytose von EC1 aus der Eizelle und die Veränderungen in der Plasmamembran der Spermienzelle.

EC1-ähnliche Proteine existieren in einer Vielzahl von Angiospermen, aber nicht in Farnen oder Algen, so die Forscher. Die Wissenschaftler vermuten daher, dass EC1 wichtige Funktionen bei der Befruchtung aller Blütenpflanzen übernehmen könnte.

Dass Spermien und Eizelle durch molekulare Faktoren miteinander kommunizieren, bevor es zur eigentlichen Befruchtung kommt, ist eine Strategie, die auch von anderen Organismen bekannt ist. Von einigen Einzellern, wie Hefepilzen und Chlamydomonas-Algen weiß man, dass ihre Spermienzellen aktiviert werden, bevor sie sich mit der Eizelle vereinen. Bei Tieren hingegen wird die Spermienzelle erst durch Kontakt mit der Eizelle aktiviert und die Eizelle reagiert erst nach der Fusion. In den sich ähnelnden Befruchtungsstrategien sehen die Wissenschaftler einen weiteren evolutionären Link zwischen Blütenpflanzen und sexuell reproduzierenden Einzellern. 

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