Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Trumpfkarte der Natur - Sanduhr der embryonalen Entwicklung tickt auch bei Pflanzen

06.09.2012
Wissenschaftler des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie (IPB) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben das für das Tierreich postulierte Sanduhr-Modell der embryonalen Entwicklung erstmals auch bei Pflanzen nachgewiesen.

An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigten Dr. Marcel Quint (IPB) und Professor Ivo Große (MLU), dass diese in ihrer Entwicklung von der befruchteten Eizelle zum reifen Embryo eine Phase höchster genetischer Kontrolle durchläuft (2012, Nature, DOI 10.1038/nature11394).

Evolutionär junge, wandelbare Gene werden in dieser Phase stillgelegt, während die alten, wenig wandelbaren (konservierten) Gene aus Bakterien und Algen aktiv bleiben. Ein adäquater genetischer Checkpoint existiert auch bei Tieren. Der Befund ist ein weiterer Beweis für ein konvergentes Fortschreiten der Evolution.

Wirbeltiere wie Fische, Frösche oder Menschen durchlaufen in ihrer Entwicklung von der befruchteten Eizelle bis zur Geburt ein bestimmtes Embryonalstadium, in dem sie rein äußerlich (morphologisch) kaum voneinander zu unterscheiden sind. Die Beschreibung dieses Phänomens geht auf den deutsch-baltischen Zoologen Karl Ernst von Baer zurück, der diese Entdeckung bereits 1828 publizierte.

Später stellte sich heraus, dass sich die Embryonalentwicklung (Embryogenese) von Tieren offenbar in drei verschiedenen Phasen vollzieht: Während sich die Embryonen verschiedener Arten in den frühen und späten Entwicklungsphasen äußerlich klar voneinander unterscheiden, erreichen sie in den mittleren Stadien ihrer Embryogenese einen Zustand maximaler morphologischer Ähnlichkeit. In Anlehnung an dieses Muster entwarf man das Sanduhr-Modell der Embryogenese, bei dem die Phase maximaler morphologischer Ähnlichkeit von der Engstelle in der Mitte der Sanduhr symbolisiert wird.

Der genetische Beweis für dieses entwicklungsbiologische Modell wurde erst kürzlich für die tierischen Modellorganismen Fruchtfliege und Zebrafisch erbracht (2010, Nature 468). Parallel zur morphologischen Ebene konnte hier gezeigt werden, dass in der mittleren Phase der Embryogenese nur die alten, hochkonservierten Gene aktiv bleiben und in Proteine umgeschrieben werden. Da die alten Gene seit mindestens einer Milliarden Jahre kaum noch Veränderungen unterlagen, sind sie bei allen Arten nahezu gleich: Die Embryonen gleichen sich demzufolge offenbar auch morphologisch in ihrer Form und Struktur; sie bilden in eine Art Urtyp-Embryo.

Bei Pflanzen konnte das morphologisch basierte Sanduhr-Modell bisher nicht nachgewiesen werden. Auf molekularer Ebene jedoch wurde jetzt der Beweis erbracht, dass auch die pflanzliche Embryogenese nach den Prinzipien des Sanduhr-Modells abläuft. Dafür verglichen die Hallenser Wissenschaftler die Abfolgen der Genbausteine (Gensequenzen) aller 28.000 Gene der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) mit dem kompletten Gensatz von jeweils 1500 anderen Pflanzen-, Algen-, Bakterien-, Pilz- und Tierarten. Anhand der Sequenzvergleiche konnte jedem der 28.000 Arabidopsis-Gene ein evolutionäres Alter zugewiesen werden. Rund 11.000 Gene wurden als evolutionär alt eingestuft. Sie entstanden vor maximal 3,5 Milliarden Jahren, in einer Zeit bevor sich die belebte Welt in Pflanzen, Pilze und Tiere trennte. Alle anderen Gene bekamen die Kategorie evolutionär jung.

Nach dieser Einteilung in jung und alt, wurden die Genaktivitäten aller 28.000 Gene der Ackerschmalwand in frühen, mittleren und späten Embryonalstadien untersucht. Ergebnis: Im mittleren Stadium - nach der Form des Embryos als Torpedostadium bezeichnet – werden die evolutionär jungen Gene gezielt deaktiviert und in späteren Phasen wieder angeschaltet. Die alten Gene bleiben hingegen in allen Phasen der pflanzlichen Embryogenese gleichermaßen aktiv. Für diese Erkenntnis haben die Hallenser Biologen und Bioinformatiker um Marcel Quint und Ivo Große keinen einzigen Laborversuch gemacht, sondern lediglich leistungsstarke Rechencluster mit den richtigen Arbeitsaufgaben bestückt. Alle erforderlichen Ausgangsdaten, wie Gensequenzen und -aktivitäten waren in Datenbanken der Scientific Community frei verfügbar.

Obgleich die Evolution nach der Trennung von Tier- und Pflanzenreich zwei komplett verschiedene Wege der Entwicklung und damit auch der Embryogenese beschritten hat, ist dieses Prinzip der Embryogenese – nämlich das Sanduhr-Prinzip – dennoch das gleiche. Dieser erstaunliche Befund ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Evolution auch auf unterschiedlichen Wegen zum gleichen Ergebnis kommen kann. Da die mittlere embryonale Entwicklungsphase offenbar jene wichtige Phase ist, in der alle Organe und Extremitäten angelegt werden, nutzen Pflanzen und Tiere in diesem sensiblen Stadium die gleichen Kontrollmechanismen zur Erhaltung der eigenen Art und zur Verhinderung der Etablierung von Mutationen.

Ein Ausschalten der jungen, wandelbaren Gene bewirkt, dass in dieser Zeit das genetische Programm sehr strikt abläuft und für Veränderungen nicht zugänglich ist. Unter der strengen Herrschaft der alten Gene formieren sich die Zellen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort zu Körperachsen und Organverbänden. Erst wenn das Gerüst steht wird es mit Hilfe der jungen Gene artspezifisch und individuell verkleidet. Auch wenn die Natur ihre Karten nach dem Zufallsprinzip verteilt – im Fall der Embryogenese kann die Sanduhr nur passieren, wer im Besitz der Trumpfkarte eines korrekten Grundgerüstes ist.

Ansprechpartner: Dr. Marcel Quint
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie
Tel.: 0345 5582 1230
mquint@ipb-halle.de

Sylvia Pieplow | idw
Weitere Informationen:
http://www.ipb-halle.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Demenz: Neue Substanz verbessert Gehirnfunktion
28.07.2017 | Technische Universität München

nachricht Mit einem Flow-Reaktor umweltschonend Wirkstoffe erzeugen
28.07.2017 | Universität Bielefeld

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: Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse

Spektral breite Röntgenpulse lassen sich rein mechanisch „zuspitzen“. Das klingt überraschend, aber ein Team aus theoretischen und Experimentalphysikern hat dafür eine Methode entwickelt und realisiert. Sie verwendet präzise mit den Pulsen synchronisierte schnelle Bewegungen einer mit dem Röntgenlicht wechselwirkenden Probe. Dadurch gelingt es, Photonen innerhalb des Röntgenpulses so zu verschieben, dass sich diese im gewünschten Bereich konzentrieren.

Wie macht man aus einem flachen Hügel einen steilen und hohen Berg? Man gräbt an den Seiten Material ab und schüttet es oben auf. So etwa kann man sich die...

Im Focus: Abrupt motion sharpens x-ray pulses

Spectrally narrow x-ray pulses may be “sharpened” by purely mechanical means. This sounds surprisingly, but a team of theoretical and experimental physicists developed and realized such a method. It is based on fast motions, precisely synchronized with the pulses, of a target interacting with the x-ray light. Thereby, photons are redistributed within the x-ray pulse to the desired spectral region.

A team of theoretical physicists from the MPI for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg has developed a novel method to intensify the spectrally broad x-ray...

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Clash of Realities 2017: Registration now open. International Conference at TH Köln

26.07.2017 | Event News

Closing the Sustainability Circle: Protection of Food with Biobased Materials

21.07.2017 | Event News

»We are bringing Additive Manufacturing to SMEs«

19.07.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Assistenzsysteme für die Blechumformung

28.07.2017 | Maschinenbau

Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse

28.07.2017 | Physik Astronomie

Satellitendaten für die Landwirtschaft

28.07.2017 | Informationstechnologie