Zweigesichtige Stammzellen produzieren Holz und Bast

Für einen der wichtigsten Wachstumsprozesse auf der Erde – die Holzbildung – sind sogenannte zweigesichtige Stammzellen verantwortlich: Sie bilden nicht nur den Ausgangspunkt für die Entstehung von Holz, sondern auch für die Erzeugung von pflanzlichem Bast, indem sie sich abwechselnd zu Holz- und Bastzellen weiterentwickeln.

Das konnte ein Team von Forschern unter der Leitung von Dr. Thomas Greb, Heisenberg-Professor an der Universität Heidelberg, mithilfe neuer experimenteller Werkzeuge zeigen.

Die Wissenschaftler vom Centre for Organismal Studies haben dazu bestimmte Zelltypen in der Wachstumsschicht von Pflanzen, dem Kambium, markiert und untersucht.

Das Leben auf der Erde wird von Sonnenenergie gespeist. Als primäre und wichtigste Empfänger setzen Pflanzen diese Energie in Zucker und Biomasse um, die anschließend von tierischen Organismen ebenso wie vom Menschen verwertet wird.

Der Prozess, bei dem der größte Anteil der Biomasse langfristig gespeichert wird, ist die Holzbildung. Produziert wird Holz von einer dünnen Schicht von Stammzellen, die als Kambium bezeichnet wird. Das Kambium befindet sich direkt unter der Rinde von Sprossen und Wurzeln und erzeugt neben dem Holz auch den pflanzlichen Bast, der oft in der Faserindustrie Verwendung findet.

„Obwohl es eine entscheidende Rolle im Stoffkreislauf der Erde spielt und wichtige Materialien für unseren täglichen Bedarf liefert, ist die Funktionsweise des Kambiums nahezu unbekannt“, sagt Prof. Greb, der am Centre for Organismal Studies die Forschungsgruppe „Entwicklungsphysiologie“ leitet.

Der Heidelberger Wissenschaftler und sein Team haben durch Markierung von verschiedenen Zelltypen innerhalb des Kambiums Zellen identifiziert, die der Ursprung für beide Gewebe zugleich sind – für den Holzteil (Xylem) und für den Bast (Phloem).

Diese zweigesichtigen Stammzellen geben alternierend in entgegengesetzte Richtungen Zellen ab, die sich entweder nach innen zu Holzzellen oder nach außen zu Bastzellen entwickeln. Zur Markierung der Stammzellen wurden fluoreszierende Proteine genutzt, die die Aktivität von bestimmten Genen erkennen lassen.

Durch einen molekularen „Trick“ konnten die Forscher diese Markierungen stabil in den Zellen und allen Abkömmlingen dieser Zellen verankern. So ließ sich die Zellentwicklung über einen längeren Zeitraum verfolgen und rekonstruieren.

Mit einem besseren Verständnis der Funktionsweise dieser Zellen hoffen die Wissenschaftler nun, in einem nächsten Schritt Pflanzenwachstum modellieren und Mechanismen der Regulation von Zelleigenschaften aufdecken zu können.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Development“ veröffentlicht. Zu dem Paper ist ein begleitendes Interview mit Prof. Greb und Dr. Dongbo Shi, dem Erstautor der Studie, erschienen.

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Prof. Dr. Thomas Greb
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D. Shi, I. Lebovka, V. López-Salmerón, P. Sanchez, T. Greb: Bifacial cambium stem cells generate xylem and phloem during radial plant growth. Development (2019) 146, dev171355, http://dev.biologists.org/content/146/1/dev171355

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