Die Verteilung der Stomata, den Poren durch welche Pflanzen atmen, ist der Schlüssel zur Maximierung der Pflanzenatmung und wie diese Verteilung erreicht wurde, war ein Rätsel – bis jetzt. Wissenschaftler vom John Innes Centre (JIC) haben Aufnahmen und Modelle miteinander kombiniert, um den dahinter stehenden Mechanismus aufzudecken.
Den Forschern vom John Innes Centre zufolge hängt die Art, wie Pflanzen die zur Atmung benötigten Poren verteilen davon ab, ein Protein während des Stammzellenwachstums aktiv zu halten.
Pflanzenporen, Stomata genannt, sind unentbehrlich für das Leben. Als sie sich vor etwa 400 Millionen Jahren entwickelten, halfen sie den Pflanzen, das Land zu erobern. Pflanzen absorbieren Kohlendioxid durch die Stomata und setzen Sauerstoff und Wasserdampf als Teil des Kohlenstoff- und Wasserzyklus auf der Erde frei.
Stomata müssen gleichmäßig verteilt sein, um die Atmungskapazität zu maximieren. Aber wie sie ein gleichmäßiges räumliches Verteilungsmuster während des Pflanzenwachstums etabliert haben, war ein Rätsel.
Ein einer Studie, die in Science veröffentlicht wird, zeigen die JIC-Wissenschaftler, dass die Fähigkeit der Zellen sich zu teilen und Stomata zu bilden nur in einer der beiden Tochterzellen bewahrt bleibt, die bei jeder Teilung entstehen. Dieses Muster, bekannt als Stammzellenverhalten, ist auch von bestimmten tierischen Zellen bekannt, etwa Haut- oder Knochenzellen.
Im Fall der Stomata hängt diese Stammzelleneigenschaft von einem Protein namens SPEECHLESS (SPCH) ab, das in einer einzelnen Tochterzelle aktiv gehalten wird. Die Tochterzelle wird mittels einer Art von molekularem Tanz im Zentrum ihrer zellulären Verwandten gehalten, infolge dessen sich die Polarität der Zellen mit jeder Teilung umkehrt. Die Tochter bildet letztendlich ein Stoma, umgeben von nicht-stomatären Verwandten, und stellt sicher, dass die stomatären Poren verteilt sind.
“Diesen Mechanismus zu entschlüsseln war nur durch Fortschritte bei der Live-Bildgebung und computerberechneten Simulationen möglich”, sagte Professor Enrico Coen vom JIC, dem Pflanzenforschungszentrum, welches vom Biotechnology and Biological Science Research Council (BBSRC) finanziell unterstützt wird.
Das Computermodell sagte Gesetzmäßigkeiten voraus, die von den Wissenschaftler in der Pflanze Arabidopsis bestätigt werden konnten. Sie verfolgten verschiedene Marker wie fluoreszierende Proteine, um die Muster zu sehen, die in wachsenden Blättern entstanden.
Die Forschungsarbeit könnte Wissenschaftlern helfen, die Anzahl und die Verteilung der Stomata auf unterschiedliche Umgebungen abzustimmen. Das könnte die Effizienz steuern, mit der Pflanzen Kohlendioxid absorbieren oder Wasserdampf abgeben.
Video-Link: https://youtu.be/-9dwOVgtAUc
Zeitraffer-Film eines wachsenden Blattes mit Zellen, die sich zu Stomata entwickeln (JIC)
Die Arbeit wurde vom BBSRC, dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada und den US National Institutes of Health finanziert.
(THK)
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