Die Forscher Albert Cairó und Karel Riha vom Central European Institute of Technology (CEITEC) und ihre Kollegen haben einen bisher unbekannten Mechanismus entdeckt, der für die Umprogrammierung der Genexpression in Pflanzen während der Übergangszeit verantwortlich ist, wenn sich eine Zelle in eine andere differenziert. Der Mechanismus tritt am Ende der Meiose auf, einer spezialisierten Zellteilung, die für die sexuelle Fortpflanzung unerlässlich ist, und ermöglicht die Differenzierung von Keimzellen und Pollen. Dieser Mechanismus beinhaltet die dynamische Lokalisierung wichtiger regulatorischer Komponenten in intrazellulären Kondensaten, die Flüssigkeitströpfchen ähneln. Dieser Prozess ist eng mit der Saatgutproduktion verbunden und könnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung nachhaltigerer Pflanzen eröffnen, die an härtere Umweltbedingungen angepasst sind.
Die Zellen sind keine statischen Einheiten, sondern verwandeln sich von einem Typ in einen anderen. Die Aktivierung eines bestimmten Satzes von Genen bestimmt, wie sich Zellen auf die Ausführung bestimmter Aufgaben spezialisieren, und bestimmt, wann sie sich teilen oder wann sie differenzieren. Zellbiologen kombinieren verschiedene fortschrittliche wissenschaftliche Methoden, um diese sehr komplexen Prozesse in der Mikrowelt der Pflanze zu untersuchen. Die Zellbiologie erlebt derzeit eine regelrechte Revolution und die klassische Sichtweise der Zellorganisation wird um neue Horizonte erweitert.
„Jetzt wissen wir, dass die Zelle nicht nur traditionelle Organellen enthält, die von einer Membran abgegrenzt sind, sondern dass viele molekulare Prozesse in weniger definierten membranlosen Organellen, auch biomolekulare Kondensate (Biokondensate) genannt, eingeschlossen sind. In den letzten zehn Jahren haben diese an Bedeutung gewonnen Biokondensate hat begonnen, erkannt zu werden. Wir tragen nun zu diesem Gebiet bei, indem wir zeigen, wie sich eine bestimmte Art von Biokondensat am Ende der Meiose bildet und die Proteinsynthese hemmt“, erklärt Albert Cairó, der Erstautor dieser Forschung.
„Das beendet einerseits die meiotischen Prozesse, markiert aber andererseits den Beginn einer genetisch anderen Zellgeneration“, ergänzt Cairó. Aber das ist nicht alles. Das Forschungsteam glaubt, dass analoge Mechanismen auch in anderen Organismen und zellulären Umgebungen wirken, einschließlich Zelldifferenzierung oder Stressreaktionen.
Die Entdeckung der Labormitglieder des korrespondierenden Autors und Forschungsgruppenleiters Karel Riha könnte enorme gesellschaftliche Auswirkungen haben. „Wir leben in einem klimatischen Ausnahmezustand. Obwohl Pflanzen gegen eine Vielzahl von Belastungen ankämpfen können, darunter hohe Temperaturen und Trockenheit, können ihre Entwicklung und Reproduktion stark beeinträchtigt werden. Dies bedeutet, dass uns ein dramatischer Rückgang der Ernte droht Ertrag, gerade wenn der Ertrag gesteigert werden muss, um die menschlichen Bedürfnisse zu befriedigen. Und deshalb sollte die Pflanzenforschung jetzt eine der Prioritäten sein“, erklärt Riha.
Die Hauptaufgabe des Labors besteht darin, grundlegende biologische Prozesse zu beleuchten, die eng mit der Pflanzenreproduktion und der Samenbildung verbunden sind, die sich bei vielen Nutzpflanzen in Erträgen niederschlagen.
„Die Forschungsergebnisse zeigen, dass biomolekulare Kondensate eine wichtige Rolle bei der Pflanzenfruchtbarkeit spielen und ihr Verhalten wahrscheinlich mit Umweltstress zusammenhängt. Es ist daher offensichtlich, dass unsere Entdeckung der erste Schritt zur Entwicklung neuer Lösungen ist, die zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion unter härteren Bedingungen führen.“ “, erklärt Albert Kairo. „Die technischen Ansätze, die das Team durchführen musste, sind wirklich bewundernswert, und die Veröffentlichung dieser Forschung in Wissenschaft ist beruhigend, dass Rihas Labor in die richtige Richtung geht.“
Der Weg zur Entdeckung
Besonders herausfordernd ist das Studium der Meiose in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf außergewöhnliche und seltene Zellen, die in 0,1–0,4 mm kleinen Blütenknospen versteckt sind. Darüber hinaus laufen die meiotischen Teilungsstadien, auf die sich die Studie konzentriert, schnell ab – der gesamte Prozess dauert fünf bis sechs Stunden. Daher sind sie nicht leicht zu erfassen. Um diesen Prozess zu untersuchen, muss das Forschungsteam modernste Technologien und eine erhebliche Portion Kreativität und Vorstellungskraft einsetzen.
Das Team von Riha musste Bedingungen für die Live-Bildgebung der meiotischen Teilung im Staubbeutel (dem Pollen enthaltenden Teil des Staubblatts) schaffen. Das Team nutzte fortschrittliche Mikroskopie und wurde zu einem der zwei Labore weltweit, die Pflanzenmeiose live beobachten konnten. Ein weiteres wesentliches Know-how, das sich das Team aneignete, war die Beherrschung der Protoplastentechnologie. Protoplasten sind isolierte Pflanzenzellen, die ihrer umgebenden Zellwand beraubt wurden, wodurch sie leicht genetisch manipuliert und unter dem Mikroskop sichtbar gemacht werden können. Diese Technologie ermöglichte es dem Team, einige Probleme schneller und effizienter aufzuklären als mit meiotischen Zellen.
Anna Vargova trug maßgeblich zum Verständnis des neu beschriebenen komplexen Mechanismus bei. Pavlina Mikulkova stellte Fachwissen zur Verfügung und half bei der Live-Cell-Bildgebung der Meiose mit dem Lightsheet-Mikroskop. Unterstützt wurde das Forschungsteam von der CEITEC Core Facility CELLIM und der Plant Sciences Core Facility. Die Forschung dauerte mehr als acht Jahre und wurde durch das Stipendienprojekt REMAP des tschechischen Bildungsministeriums für Jugend und Sport finanziert.
„Es wäre extrem schwierig, ein so komplexes Projekt ohne die langfristige Finanzierung zu entwickeln, die wir hatten. Tatsächlich fühlte es sich an einem Punkt so an, als ob unsere Grenze nur unsere Vorstellungskraft wäre, und ich glaube, dass dies entscheidend für unsere weitreichende Reichweite war Entdeckung“, sagt Albert Cairó.
Interessanterweise beinhaltete dieses Projekt keine externe Zusammenarbeit, was für internationale Forschungsinstitute wie CEITEC ungewöhnlich ist. In diesem Fall schlug das Forschungsteam eine völlig neue Richtung ein und die Forschung wurde ausschließlich von den Mitgliedern der Forschungsgruppe von Karel Riha abgeschlossen.
Albert Cairo et al, Meiotic Exit in Arabidopsis wird durch P-Körper-vermittelte Translationshemmung angetrieben, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abo0904. www.science.org/doi/10.1126/science.abo0904
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