Genetischer Schalter reguliert Pflanzenentwicklung

Aus einem Pflanzenembryo soll ein Keimling werden und dann eine Pflanze mit all ihren Organen: Wurzel, Stängel, Blättern und Blüten. Bereits in der frühen Embryonalentwicklung werden die Grundlagen für diese Entwicklung gelegt. Das Pflanzenhormon Auxin spielt als Signalstoff an verschiedenen Stellen eine entscheidende Rolle. Auxine sind eine Gruppe pflanzlicher Hormone, die Wachstums- und Differenzierungsprozesse von Pflanzen auf vielfältige Weise regulieren.

Regulationsnetzwerk aufgedeckt

Forscher des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie haben die Wirkungsweise des Auxins in der Zelle am Beispiel der Ackerschmalwand untersucht und dabei ein genetisches Regulationsnetzwerk aufgedeckt. Danach kann Auxin bei steigender Konzentration Gene für die normale Entwicklung des Embryos „anschalten“, die ab einem bestimmten Punkt ihre erhöhte Aktivität auch bei sinkender Auxinkonzentration nicht oder nur verzögert wieder einstellen.

Die Wissenschaft wusste bereits, dass Auxine den Abbau eines Inhibitors fördern, der bestimmte Faktoren daran hindert, ihre Zielgene zu aktivieren. Zudem war bekannt, dass in einer frühen Entwicklungsphase zunächst die Auxinkonzentration in den oben gelegenen Zellen des Embryos ansteigt, aus denen sich später die oberirdischen Pflanzenteile bilden. Danach wird das Auxin dann in die unteren Zellen transportiert. Die genaue Rolle des Auxins bei der Musterbildung im Embryo war bisher jedoch unklar.

Bei der Entwicklung von pflanzlichen Embryonen spielt das Pflanzenhormon Auxin eine tragende Rolle – dies legen Studien mit Arabidobsis-Protoplasten nahe (Quelle: iStockphoto®).

Die Komplexität aufgelöst

Bei der Untersuchung der Auxinwirkung konzentrierten sich die Forscher auf ein vereinfachtes System. Statt an Embryonen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) führten sie die Versuche mit Ackerschmalwand-Protoplasten durch, mit lebenden Zellen ohne Zellwand, die eine weniger komplexe Umgebung bieten. Bei Protoplasten lassen sich die Versuchsbedingungen gezielt variieren und die Genaktivität damit einfacher messen als es bei der Arbeit mit kompletten pflanzlichen Embryonalzellen der Fall ist.

Die Wissenschaftler untersuchten die Wirkungen des Auxins auf den genaktivierenden Transkriptionsfaktor MONOPTEROS und dessen Inhibitor BODENLOS. Sie kamen zu folgendem Ergebnis: Der Faktor MONOPTEROS fördert sowohl seine eigene Herstellung als auch die seines Inhibitors BODENLOS. Sie bilden ein System zweier miteinander verknüpfter Rückkoppelungsschleifen. Das Auxin kontrolliert dieses Rückkopplungssystem, in dem es den Abbau des Inhibitors begünstigt. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen haben die Wissenschaftler Computersimulationen durchgeführt, um das Regulationsnetzwerk nachzustellen.

Auxin als genetischer Schalter

Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Auxin in dem komplexen System sozusagen einen Schalter betätigt. Bei steigender Auxinkonzentration wird der Inhibitor BODENLOS verstärkt abgebaut, der Faktor MONOPTEROS wird dadurch weniger stark blockiert. Ab einer bestimmten Auxinkonzentration wird das MONOPTEROS-BODENLOS-System auf eine höhere Aktivitätsebene gehoben. Solange in dem angeschalteten System eine bestimmte Auxinkonzentration nicht unterschritten wird, fällt dieses nicht auf das Ausgangsniveau zurück, selbst wenn das meiste Auxin abtransportiert wird.

Bei der Embryonalentwicklung von Pflanzen wurde dieser Regelungsmechanismus bisher noch nicht beschrieben. Er ähnelt aber einem Signalweg bei embryonalen Stammzellen der Wirbeltiere, so die Forscher. Ob sich dieser Regelungstyp auch an weiteren Stellen in der Entwicklung der Ackerschmalwand finden lässt, müssen nun weitere Studien zeigen. Zudem sollten die Ergebnisse anhand von Studien mit vollständigen pflanzlichen Embryonen gesichert werden, da Protoplasten künstliche Systeme sind, in denen möglicherweise etwas andere Mechanismen wirken könnten als in den ausdifferenzierteren Zellen einer Pflanze.

Quelle:
Steffen Lau, Ive De Smet, Martina Kolb, Hans Meinhardt, Gerd Jürgens: Auxin triggers a genetic switch, Nature Cell Biology (10 April 2011), doi: 10.1038/ncb2212 (Abstract).