Wie sich eine Wurzel in ihren eigenen Reparaturbetrieb verwandelt

Grundlagenforschung zur Regeneration von Pflanzenorganen – Veröffentlichung in „Science“

Nur wenige Tiere können es, aber zahlreiche Pflanzen: Organe, die beschädigt worden sind, aus erwachsenem Gewebe regenerieren. Das macht man sich zum Beispiel bei der Stecklingsvermehrung von Pflanzen zunutze: ein abgetrennter Stängel kann neue Wurzeln und schließlich wieder eine vollständige Pflanze bilden. Was bei der Neuorganisation der Pflanze auf molekularer Ebene in den Zellen und Geweben passiert, ist bisher weitgehend unerforscht. Eine Forschergruppe der niederländischen Universität Utrecht hat in Zusammenarbeit mit den Tübinger Wissenschaftlern Michael Sauer und Dr. Jirí Friml vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen der Universität Tübingen untersucht, was in den Zellen einer Pflanzenwurzel bei der Regeneration passiert. Ihre Studie haben die Wissenschaftler nun in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht (Science, 20. Januar 2006, Seiten 385-388. Jian Xu, Hugo Hofhuis, Renze Heidstra, Michael Sauer, Jirí Friml, Ben Scheres: „A molecular framework for plant regeneration“).

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gewählt, da schon viele Einzelheiten ihrer Molekularbiologie bekannt sind. Bei der normalen Entwicklung der Pflanze verlängert sich die Wurzel durch Wachstum an der Spitze. Ganz nah an der Wurzelspitze liegt innen eine Gruppe von Stammzellen, Meristem genannt, die sich kaum spezialisiert haben, aber teilungsfähig bleiben. Sie können bei Bedarf neue Zellen bilden, die sich dann für verschiedene Aufgaben in der Wurzel wie die Bildung von Wasserleitgefäßen oder Wurzelhaaren differenzieren können. Das Meristem produziert auch die Zellen der Wurzelhaube, die das empfindliche Gewebe in der Wurzelspitze wie eine Kappe umgibt. An den Vorgängen des Wachstums und der Differenzierung ist das Pflanzenhormon Auxin beteiligt, das die Arbeitsgruppe von Jirí Friml eingehend erforscht, sowie eine ganze Reihe von Transkriptionsfaktoren, die in einem komplizierten Zusammenspiel bei der Spezialisierung der Zellen in verschiedene Typen in die Aktivierung und Hemmung der Gene eingreifen.

In Experimenten haben die Forscher Wurzelspitzen von Ackerschmalwand-Pflanzen durch Laserstrahlen beschädigt und beobachtet, wie der Organismus die Reparatur organisiert. Sie haben dabei das Meristem und damit genau den Bereich der Wurzelspitze zerstört, der sonst dafür Sorge trägt, dass die Wurzel ständig weiter wachsen kann. Mit speziellen Markern für das Hormon Auxin und die verschiedenen Transkriptionsfaktoren haben die Wissenschaftler in Echtzeit verfolgt, wann welche Vorgänge angestoßen werden. Danach vermuten die Wissenschaftler, dass die Reparatur in Gang kommt, sobald der Auxinfluss durch eine Beschädigung der Zellen unterbrochen wird. Denn die Verteilung des Auxins innerhalb der Gewebe bestimmt das Schicksal der einzelnen Zellen. Schon wenige Stunden nach der Beschädigung im Experiment hat sich das Auxinmaximum in Zelllagen dicht oberhalb der beschädigten Stelle verlagert. Als Antwort auf die neue Auxinverteilung treten verschiedene Transkriptionsfaktoren in Aktion, die eine ähnliche Situation herstellen, wie sie in der beginnenden Wurzel des Pflanzenembryos herrscht. Dabei werden bereits spezialisierte Zellen, die eigentlich zu Wasserleitgefäßen werden sollten, in embryonale Zellen zurückverwandelt. Nach und nach wird ein Meristem regeneriert, dessen Stammzellen in der Lage sind, eine neue Wurzelhaube zu bilden. Die Zellen der Wurzelhaube können die Forscher im Mikroskop an typischen eingelagerten Stärkekörnchen erkennen. Erst wenn die Zellen ihre neuen Aufgaben übernommen haben und die Wurzelspitze als System regeneriert ist, wird auch das Auxin über seine verschiedenen Transportproteine in den Zellmembranen wieder in seine normale Verteilung dirigiert.

Dass sich in diesem Regenerationsprozess bereits differenzierte Zellen in wieder flexibel reagierende embryonale Zellen zurückverwandeln, ist eine besondere Fähigkeit von Pflanzen. Inwieweit man die Vorgänge auch auf Tiere oder Menschen übertragen kann, bei denen man heute versucht, durch die Gewinnung von individuellen Stammzellen kranke Gewebe oder Organe zu ersetzen, ist ein wichtiges Thema für weitere Forschungen.

Nähere Informationen:

Dr. Jirí Friml, Tel. 0 70 71/2 97 88 89, E-Mail jiri.friml@zmbp.uni-tuebingen.de
Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP)
Auf der Morgenstelle 3
72076 Tübingen
Fax 0 70 71/29 32 87