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 Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle
19.06.2019 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Wie sich Bakterien gegen Plasmabehandlung schützen
19.06.2019 | Ruhr-Universität Bochum

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: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Im Focus: Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt

Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine...

Im Focus: Die verborgene Struktur des Periodensystems

Die bekannte Darstellung der chemischen Elemente ist nur ein Beispiel, wie sich Objekte ordnen und klassifizieren lassen.

Das Periodensystem der Elemente, das die meisten Chemiebücher abbilden, ist ein Spezialfall. Denn bei dieser tabellarischen Übersicht der chemischen Elemente,...

Im Focus: The hidden structure of the periodic system

The well-known representation of chemical elements is just one example of how objects can be arranged and classified

The periodic table of elements that most chemistry books depict is only one special case. This tabular overview of the chemical elements, which goes back to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

KI meets Training

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

19.06.2019 | Messenachrichten

Blick auf die Erde vor der Sonne

19.06.2019 | Physik Astronomie

Zellteilung auf Hochtouren

19.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics