Neue Erkenntnisse darüber, wie sich Pflanzenzellen teilen

Jedes Mal, wenn sich eine Stammzelle teilt, bleibt eine Tochterzelle eine Stammzelle, während die andere ihre eigene Entwicklungsreise antritt. Doch beide Tochterzellen benötigen spezifische und unterschiedliche Zellmaterialien, um ihre Bestimmung zu erfüllen. Tierische Stammzellen nutzen das Zytoskelett – ein vorübergehendes Netzwerk aus Strukturkanälchen –, um während der Teilung physisch die richtigen Materialien aus der Elternzelle in jede Tochterzelle zu ziehen. Pflanzen haben auch Stammzellen, die unterschiedliche Materialien an jede ihrer Töchter verteilen müssen, aber frühere Studien scheinen ein „tierisches“ Zytoskelett zur Erfüllung dieser Aufgabe ausgeschlossen zu haben. Und welche Pflanzen stattdessen verwendet wurden, blieb unklar – bis jetzt.

In einer neuen Studie, die am 6. Juli veröffentlicht wurde WissenschaftForscher der Stanford University fanden heraus, dass auch Pflanzenzellen das Zytoskelett nutzen. Aber es gibt eine Wendung. Anstatt wie tierische Stammzellen am Zytoskelett zu ziehen, drückten die untersuchten Pflanzenzellen es tatsächlich weg.

„Anstatt das Zytoskelett zu verwenden, um zu sagen: ‚Teile hier!‘ Die Pflanzen sagten: „Teilen Sie nicht auf diese Weise!“ „, sagte Andrew Muroyama, ein ehemaliger Postdoktorand in Stanford, derzeit Assistenzprofessor an der University of California in San Diego und Hauptautor des Artikels.

Die neuen Erkenntnisse könnten Forschern dabei helfen, Pflanzen zu entwickeln, die sich besser an veränderte Umgebungen anpassen können – eine entscheidende Aufgabe, da die Welt weiterhin mit dem Klimawandel konfrontiert ist.

„Zu verstehen, wie sich Stammzellen bei Tieren teilen, war wichtig für das Verständnis verschiedener menschlicher Krankheiten und hat sich auf translationale Medikamente ausgewirkt“, sagte Muroyama. „Ich habe eine ähnliche Hoffnung, dass ein besseres Verständnis darüber, wie sich Stammzellen in Pflanzen teilen, künftige technische Anwendungen beeinflussen könnte.“

Blockieren des Mauerbaus durch drohende Katastrophe

Forscher im Labor von Dominique Bergmann, Shirley R. und Leonard W. Ely, Jr., Professorin für Biologie an der School of Humanities and Sciences, begannen diese Arbeit mit der Untersuchung von Polaritätskomplexen – kleinen Proteinclustern, die in jeder Zelle von entscheidender Bedeutung sind um Blätter in der richtigen Größe und Form zu bilden. Polaritätskomplexe helfen sich teilenden Blattstammzellen bei der Orientierung.

„Stammzellen nutzen diese Polaritätsproteine, um zu entscheiden, wo sie sich teilen“, sagte Muroyama. „Wir wussten, dass diese Proteine ​​an der Teilung beteiligt waren, aber wir wussten nicht, wie sie den Prozess auf molekularer Ebene kontrollierten.“

Um zu untersuchen, wie diese Proteine ​​funktionieren, entwickelte das Team Pflanzenzelllinien, die fluoreszierende Versionen von Polaritätskomplex- und Zytoskelettproteinen exprimierten, und verbrachte dann Hunderte von Stunden in einem dunklen Raum, um die Bewegungen der leuchtenden Proteine ​​zu verfolgen, während Zellen wuchsen, sich teilten und sich wiederholten.

Sie stellten bald fest, dass sich einige Zellen nicht nach der „Regel der kürzesten Wand“ teilten, die normalerweise die Zellteilung von Pflanzen regelt. Während von Pflanzenzellen erwartet wird, dass sie die kleinsten – und daher energetisch konservativsten – Wände bilden, die möglich sind, um Zellen zu teilen, befand sich der Polaritätskomplex in einigen Fällen genau dort, wo diese Wand gebaut werden musste. Irgendwie hat es den Bau blockiert. Durch eine Reihe strenger Experimente kamen die Forscher zu dem Schluss, dass der Polaritätskomplex die Mikrotubuli wegdrückte, die sonst den Aufbau der Wand ermöglichen würden.

„Der Polaritätskomplex war wie: ‚Wenn einer von euch Mikrotubuli versucht, in meine Region einzudringen, werde ich euch vertreiben. Ich werde buchstäblich eine Katastrophe verursachen – das ist der Fachausdruck für die vollständige Zerstörung von Mikrotubuli –, damit ihr es könnt‘ „Ich werde nicht in diese Zone eindringen“, sagte Bergmann.

Management für ein sich veränderndes Klima

Bergmanns Labor interessiert sich für Resilienz – wie Pflanzen mit sich verändernden Umgebungen zurechtkommen. Pflanzen überleben, indem sie ihre Blätter oder ihre Verzweigungsmuster oder die Geschwindigkeit, mit der sie atmen oder Zucker speichern, verändern.

„Diese Forschung könnte zu Anwendungen führen, bei denen das Verhalten von Stammzellen angepasst werden könnte, um beispielsweise die Pflanzenarchitektur zu verändern oder Pflanzen bei der Anpassung an ein sich änderndes Klima zu helfen“, sagte Muroyama.

Entscheidungen darüber, wie auf Signale aus der Umwelt reagiert wird, werden von Stammzellen gesteuert. Dabei vergleicht Bergmann den Polaritätskomplex mit einem Bauleiter und gibt die Anweisungen, die dafür sorgen, dass sich die Stammzelle richtig spaltet.

„Dieser Bauleiter empfängt Signale aus der Umgebung, entscheidet, was zu tun ist, und sagt der Zelle: ‚Ja, Sie sollten teilen.‘ Aber dann heißt es auch: ‚Jetzt habt ihr euch geteilt. Geht los und sucht euer Glück‘“, sagte Bergmann.

Da die Forscher nun wissen, wie dieser Manager funktioniert, können sie seine Rolle in vor- und nachgelagerten Prozessen bestimmen – und Wege finden, seine Macht zu nutzen.

„Wie genau der Polaritätskomplex funktioniert, müssen wir noch herausfinden“, sagte Bergmann. „Wie bekommt man all diese Pflanzen, die wirklich coole spezialisierte Zellen produzieren – Zellen, die interessante Formen erzeugen, Zellen, die interessante Chemikalien produzieren, Zellen, die auf bestimmte Reize reagieren? Und können wir das so hinbekommen?“