Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Calcium-Wellen bei der doppelten Befruchtung: Forscher entdecken zelluläre Signale

25.08.2014

Zellbiologen der Universität Regensburg und der Universität Heidelberg, in Kooperationen mit Forschern der Carnegie Institution for Science in Stanford, USA, und der Ludwig-Maximilians-Universität München, ist es jetzt erstmalig gelungen, bei der Modellpflanze „Arabidopsis thaliana“ (Ackerschmalwand) zelluläre Signale in lebenden Samenanlagen während des gesamten Befruchtungsvorgangs aufzuzeichnen.

Sie entdeckten dabei spezifische Muster von Calcium-Wellen, die entstehen, sobald die weiblichen Zellen mit ihren männlichen Partnern in Kontakt kommen. Diese Studie ist jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen (DOI:10.1038/ncomms5645).

Die doppelte Befruchtung ist ein Hauptmerkmal der Blütenpflanzen, zu denen auch fast alle Nutzpflanzen gehören. Im Gegensatz zu Tieren, aber auch zu niederen Pflanzen wie Moose und Farne, bei denen die Befruchtung über bewegliche Spermien erfolgt, werden die unbeweglichen Spermazellen bei Blütenpflanzen über den Pollenschlauch in die gut geschützten und z. T. tief eingebetteten Samenanlagen transportiert.

Bei Mais z. B. werden hierbei Strecken von bis zu 20 cm zurückgelegt. In der Samenanlage angekommen, platzt der Pollenschlauch und entlässt zwei Spermazellen. Eine Spermazelle befruchtet anschließend die Eizelle, woraus sich der Embryo entwickelt. Eine zweite Spermazelle befruchtet die Zentralzelle, die sich zum Endosperm entwickelt.

Diese beiden Produkte aus der doppelten Befruchtung (Embryo und Endosperm) sind der Hauptbestandteil der Pflanzensamen und damit unserer wichtigsten Grundnahrungsmittel. Das molekulare Verständnis dieser grundlegenden Prozesse ist daher seit vielen Jahren ein zentrales Anliegen in der Pflanzenforschung.

Zellbiologen der Universität Regensburg und der Universität Heidelberg, in Kooperationen mit Forschern der Carnegie Institution for Science in Stanford, USA, und der Ludwig-Maximilians-Universität München, ist es jetzt erstmalig gelungen, bei der Modellpflanze „Arabidopsis thaliana“ (Ackerschmalwand) zelluläre Signale in lebenden Samenanlagen während des gesamten Befruchtungsvorgangs aufzuzeichnen.

Hierzu setzten die Forscher einen neuen Biosensor in Pflanzen ein, der es ermöglicht, Änderungen in der Calcium-Konzentration in den Zellen, die an der doppelten Befruchtung beteiligt sind, im Mikroskop sichtbar zu machen. Sie entdeckten dabei spezifische Muster von Calcium-Wellen, die entstehen, sobald die weiblichen Zellen mit ihren männlichen Partnern in Kontakt kommen. Diese Studie ist jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen (DOI:10.1038/ncomms5645).

Da die Befruchtungsprozesse bei Blütenpflanzen tief eingebettet in den mütterlichen Geweben der Samenanlage stattfinden, ist nur wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen der gegenseitigen Erkennung und Fusion männlicher und weiblicher Zellen bekannt. Bei Tieren wird Calcium als sogenanntem Signalmolekül eine ganz zentrale Rolle bei der intrazellulären Weiterleitung von Informationen, wie beispielsweise die Erkennung der Keimzellen beider Geschlechtspartner, zugeschrieben.

Durch die Kombination zahlreicher Neuentwicklungen im Bereich der Fluoreszenzmikroskopie und der Etablierung hypersensitiver Biosensoren sowie der Entdeckung von Genregulationselementen aller an der Befruchtung beteiligten Zellen und schließlich der Möglichkeit, die Befruchtungsvorgänge auch bei Pflanzen isoliert aus den weiblichen Sexualorganen durchzuführen, ist es jetzt gelungen, nicht nur den gesamten Befruchtungsvorgang in Echtzeit in lebenden Zellen zu beobachten, sondern darüber hinaus am Beispiel Calcium die Verteilung und die Bedeutung dieses wichtigen Moleküls zu untersuchen.

Hierbei konnten die Forscher u. a. zeigen, dass oszillierende Calcium-Wellen beim Kontakt zwischen Pollenschlauch und Eiapparat entstehen und eine zentrale Rolle beim Platzen des Pollenschlauchs spielen. Eine erste Calcium-Welle entsteht in der Ei- und Zentralzelle bei der Spermazellfreisetzung und führt vermutlich zur Aktivierung beider Zellen, während eine weitere, länger anhaltende Calcium-Welle die Fusion der Keimzellen und damit die erfolgreiche Befruchtung der Eizelle markiert.

Welche molekularen Prozesse jeweils durch die Calcium-Wellen ausgelöst werden, muss in weiteren Arbeiten untersucht werden. Diese Studie zeigt jedoch bereits eine zentrale Rolle von Calcium auch bei der Befruchtung von Blütenpflanzen an, wobei die Muster der Calcium-Signale für jeden beteiligten Zelltyp spezifisch sind. Die in dieser Studie etablierte Methodik kann jetzt in zahlreichen weiteren Untersuchungen genutzt werden, um nicht nur die Rolle von Calcium näher zu untersuchen, sondern auch die Funktionen zahlreicher weiterer Moleküle und Gene bei der doppelten Befruchtung aufzuklären.

Titel der Originalpublikation:
P. Denninger, A. Bleckmann, A. Lausser, F. Vogler, T. Ott, D. Ehrhardt, W.B. Frommer, S. Sprunck, T. Dresselhaus, G. Grossmann (2014) Male-female communication triggers calcium signatures during fertilization in Arabidopsis. „Nature Communications“. 5, 4645. DOI:10.1038/ncomms5645.

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Thomas Dresselhaus
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Zellbiologie und Pflanzenbiochemie
Tel.: 0941-943-3016
E-Mail: thomas.dresselhaus@ur.de

Dr. Guido Grossmann
Universität Heidelberg
Centre for Organismal Studies / Exzellenzcluster CellNetworks
Tel.: 06221-545612
E-Mail: guido.grossmann@cos.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/ncomms/2014/140822/ncomms5645/pdf/ncomms5645.pdf - die Publkation im Internet

Alexander Schlaak | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen
12.12.2017 | Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

nachricht Undercover im Kampf gegen Tuberkulose
12.12.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik