Der stammzellähnliche Ansatz bei Pflanzen gibt Aufschluss über die Bildung spezialisierter Zellwände

Eine von Biologen der Penn State University entwickelte neue Methode ermöglicht es ihnen, zerkleinerte Pflanzenzellen in andere Zelltypen umzuwandeln, ähnlich wie Stammzellen sich in verschiedene Zelltypen differenzieren. Mit dieser Methode untersuchte das Forschungsteam die Streifenmuster, die die Stabilität pflanzlicher Zellwände erhöhen – ähnlich wie die Wellenmuster in Pappe – und wie sie entstehen. Darüber hinaus enthüllten die Forscher, wie der Aufbau dieser Strukturen in verschiedenen mutierten Pflanzenzellen fehlschlagen kann, was ihrer Meinung nach letztendlich Methoden zum Abbau von Pflanzenzellen für Biokraftstoffe beeinflussen könnte.

Ein Papier Beschreibung der Forschung erschien in der Oktoberausgabe der Zeitschrift Die Pflanzenzelle.

Zellulose, ein Strukturbestandteil pflanzlicher Zellwände, ist eine reichlich vorhandene und vielversprechende Quelle für Biokraftstoffe. Allerdings erfordern gängige Techniken zur Extraktion von Cellulose aus Zellwänden, bei denen andere verwickelte große Moleküle, sogenannte Polymere, entfernt werden, chemische Lösungsmittel, Enzyme und Reaktionen bei hohen Temperaturen, was die Kosten und Komplexität des Prozesses erhöht. Ein besseres Verständnis darüber, wie Zellwände aufgebaut sind, könnte den Forschern zufolge neue, kosteneffizientere Wege zur Gewinnung von Zellulose aufzeigen.

„In den letzten Jahren haben Forscher verschiedene Möglichkeiten erforscht, die Effizienz des Celluloseextraktionsprozesses potenziell zu verbessern, beispielsweise durch Manipulation anderer Polymere in der Zellwand, die störend sein können, wie Xylan und Lignin“, sagte Sarah Pfaff. Postdoktorand am Penn State Eberly College of Science, der die Forschung leitete.

„Aber die einzigartigen Strukturen, die von ‚Xylem-Trachearelement‘-Zellen gebildet werden, entwickeln sich in diesen mutierten Pflanzen oft nicht richtig, was dazu führt, dass die Zellen kollabieren und letztendlich das Pflanzenwachstum und die Menge an extrahierbarer Zellulose reduziert werden. In dieser Studie untersuchen wir, wie einzigartig diese sind.“ Zellwände in gesunden Pflanzenzellen zusammengebaut werden und auch, wie dieser Prozess bei Mutanten schiefläuft.

Xylem-Trachearelemente (XTEs) sind eine Art von Zellen, die den Wassertransport von den Wurzeln einer Pflanze zu ihren Blättern ermöglichen, und sie haben bemerkenswert dicke Zellwände. Anders als in anderen Zellen, so Pfaff, lagern sich Polymere wie Cellulose, Xylan und Lignin an bestimmten Stellen in den Zellwänden von XTEs ab, wodurch ein Streifenmuster entsteht. Wenn diese Muster in mutierten Zellen nicht richtig gebildet werden, können die Zellen durch den Druck des fließenden Wassers gegen die Schwerkraft kollabieren.

„Die Streifenmuster in den Trachearelementen des Xylems ähneln stark dem Wellenmuster in Pappe und verleihen der Zellwand Stabilität“, sagte Pfaff. „Mit herkömmlichen Methoden war es schwierig, einzelne Zellen zu erkennen, um zu verstehen, wie dieses Bandenmuster in mutierten Zellen zusammenbricht. Deshalb haben wir eine Methode entwickelt, mit der wir einzelne Zellen beobachten können, ohne dass benachbarte Zellen im Weg sind.“

Die neue Methode nutzt Protoplasten, einzelne Zellen, denen die Zellwände entzogen wurden, die die Forscher mit Nährstoffen versorgen und was Pfaff als „genetischen Auslöser“ bezeichnet, um sich in einen neuen Zelltyp zu differenzieren. Obwohl Protoplasten in verschiedenen früheren Pflanzenstudien verwendet wurden, ermöglicht die neue Methode den Forschern, die Zellen bei ihrer Differenzierung in den einzigartigen XTE-Zelltyp zu beobachten.

„Wir versorgen Protoplasten mit einem Transkriptionsfaktor – einer Art genetischem Auslöser – damit sie sich auf der Grundlage dieses Signals zu einem neuen Zelltyp entwickeln“, sagte Pfaff. „Es ist insofern ein bisschen wie bei Stammzellen, dass wir ihr Entwicklungsschicksal umprogrammieren und zusehen können, wie sie sich in völlig andere Zelltypen verwandeln. In dieser Studie haben wir gezielt Protoplasten sowohl gesunder als auch mutierter Pflanzen dazu gebracht, sich in tracheäre Xylemelemente zu verwandeln, und beobachteten, wie die Streifenbildung erfolgt.“ Muster in ihren Zellwänden bildeten sich.“

Die Forscher fanden heraus, dass bestimmte Wechselwirkungen zwischen Cellulose und Xylan für die korrekte Bildung der Bänder notwendig sind und dass ein ordnungsgemäß zusammengesetztes Zellwandnetzwerk aus Polymeren als Gerüst fungiert, das das Bandmuster vorgibt. Sie fanden auch heraus, dass das Bandenmuster in verschiedenen mutierten Zellen auf unterschiedliche Weise versagte.

„Frühere Forschungen haben sich darauf konzentriert, wie sich das Innere der Zelle auf die Zellwand auswirken könnte, die außerhalb der Zelle synthetisiert wird, aber wir haben herausgefunden, dass es auch in die andere Richtung funktioniert“, sagte Pfaff. „Die Zellwandstruktur kann auch Einfluss darauf haben, was in der Zelle passiert, und sie können sich gegenseitig beeinflussen. Diese Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie Zellwände entstehen und wie diese Art von Mutanten in Zukunft lebensfähig sein könnten.“

Laut Pfaff ist das Verständnis, wie Zellwände aufgebaut sind, für die Forstwirtschaft, die Materialwissenschaften sowie für die Biokraftstoffproduktion von Interesse. Mit ihrer neuen Methode will das Forschungsteam untersuchen, wie andere Arten von Zellwänden entstehen.

„Anstatt mutierte Pflanzen zusammen zu züchten, um mehrere verschiedene genetische Merkmale in einer Pflanze zu erhalten, was viele Monate dauern könnte, können Sie jetzt verschiedene Kombinationen in einzelnen Zellen untersuchen“, sagte Pfaff. „Man könnte auch verschiedene Arten genetischer Auslöser nutzen, um andere Zelltypen zu untersuchen, was Auswirkungen auf die gesamte Pflanzenbiologie haben könnte.“

Zum Forschungsteam an der Penn State gehören neben Pfaff auch Edward Wagner, leitender Forschungstechniker, und Daniel Cosgrove, Eberly Family Chair of Biology.