Was wäre, wenn Wissenschaftler menschliche psychiatrische Erkrankungen in Pflanzen untersuchen könnten? Yale-Forscher halten es für möglich und haben einen wichtigen ersten Schritt getan. In einer am 2. Juni veröffentlichten Studie Zelluläre und molekulare Biowissenschaftenuntersuchten sie ein Gen, das sowohl bei Pflanzen als auch bei Säugetieren sehr ähnlich ist, und untersuchten, wie es das Verhalten beider beeinflusst.
Tamas Horvath, Jean-and-David-Wallace-Professor für Vergleichende Medizin und leitender Autor der Studie, denkt seit einiger Zeit über diese Möglichkeit nach.
„Vor Jahren fing ich an, mich für diese Idee zu interessieren, dass jeder lebende Organismus eine gewisse Homologie haben muss, eine gewisse Ähnlichkeit, wie er ist oder was er tut“, sagte er.
Als er anfing, Verhalten und Mitochondrien – spezialisierte Strukturen in Zellen, die Energie erzeugen – zu studieren, kam ihm diese Idee immer wieder in den Sinn. Er dachte, wenn man mitochondriale Gene in Tieren verändern und sehen könnte, welche Verhaltensweisen sich ändern, und dann dasselbe mit ähnlichen Genen in Pflanzen versuchen könnte, könnte es schließlich möglich sein, das menschliche Verhalten durch das Studium von Pflanzen besser zu verstehen. Wenn Sie diese Idee noch einen Schritt weitergehen, sagte Horvath, ist es vielleicht möglich, zum Beispiel eine schizophrene Pflanze zu entwickeln.
„Wenn Sie ein solches Modell entwickeln könnten, dann hätten Sie alternative Arten, nicht nur Säugetiere, mit denen Aspekte des menschlichen Verhaltens untersucht werden können“, sagte Horvath, der feststellte, dass dies das Ziel der vergleichenden Medizin sei, um zu sehen, wie nicht -menschliche Modelle können zur Untersuchung menschlicher Bedingungen verwendet werden.
Für diese Studie untersuchten Horvath und seine Kollegen ein mitochondriales Gen (Friendly Mitochondria oder FMT), das in einer kleinen blühenden Pflanze namens Arabidopsis thaliana gefunden wurde, und ein sehr ähnliches Gen (Clustered Mitochondria Homolog, oder CLUH), das in Mäusen gefunden wurde.
Mitochondrien regulieren wichtige Funktionen wie den Stoffwechsel und sind entscheidend für die Erhaltung der Gesundheit. Sowohl bei Pflanzen als auch beim Menschen können dysfunktionale Mitochondrien die Entwicklung beeinträchtigen und zu Krankheiten führen, einschließlich neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, Huntington und Schizophrenie beim Menschen.
Für die Studie verglichen die Forscher typische Pflanzen, Pflanzen ohne FMT und Pflanzen mit überaktivem FMT, um die Rolle des Gens besser zu verstehen. Sie fanden heraus, dass es viele wichtige Eigenschaften beeinflusst, darunter die Keimung oder das Keimen der Samen, die Wurzellänge, den Zeitpunkt der Blüte und das Blattwachstum.
Sie betrachteten auch zwei wichtige Verhaltensweisen von Pflanzen.
Die erste war die Reaktion auf Salzstress. Zu viel Salz kann Pflanzen töten, also haben sie Verhaltensweisen entwickelt, um es zu vermeiden. Wenn es in ihrer Umgebung zu viel Salz gibt, neigen Pflanzen dazu, die Keimung zu stoppen, die Blüte zu verzögern und das Wurzelwachstum zu stören. Die Forscher fanden heraus, dass FMT für dieses Salzvermeidungsverhalten entscheidend ist.
Die zweite Art von Pflanzenverhalten, die sie untersuchten, ist als hyponastisches Verhalten bekannt – Bewegungen, die auf zirkadianen Rhythmen basieren. „Pflanzen werden enorm von zirkadianen Rhythmen beeinflusst, weil Licht die entscheidende Energiequelle für sie ist“, sagte Horvath.
Bei Arabidopsis umfasst das hyponastische Verhalten die Art und Weise, wie sich seine Blätter Tag und Nacht bewegen. Tagsüber sind die Blätter flacher und der Sonne stärker ausgesetzt. Nachts, wenn kein Sonnenlicht absorbiert werden kann, neigen sich die Blätter nach oben. Horvath und seine Kollegen fanden heraus, dass FMT auch bei diesem Verhalten eine wichtige Rolle spielt, indem es reguliert, wie stark und wie schnell sich die Blätter bewegen.
Um dies mit Säugetieren in Verbindung zu bringen, untersuchten die Forscher eine Vielzahl von Mausverhalten und verglichen typische Mäuse mit solchen mit reduziertem CLUH, einem Gen, das FMT sehr ähnlich ist. In einem Verhaltenstest, bei dem Mäuse in eine offene Umgebung gebracht wurden, beobachteten sie, dass Mäuse mit weniger CLUH langsamer waren und kürzere Strecken zurücklegten als ihre Artgenossen.
„Die Mäuse reagierten ähnlich wie die Pflanzen, mit veränderter Geschwindigkeit und insgesamt veränderter Bewegungsaktivität“, sagte Horvath. „Es ist rudimentär, aber es deutet immer noch darauf hin, dass es mitochondriale Mechanismen geben kann, die ähnliche Funktionen in Pflanzen und Tieren entschlüsseln.“
Es gibt zwar noch viel zu tun, aber es ist ein aufregender erster Schritt, sagte er. Pflanzen wie Arabidopsis und Säugetiere teilen mehrere ähnliche Gene und zelluläre Prozesse, nicht nur FMT und CLUH.
„Das langfristige Ziel ist es, eine Art Wörterbuch zu entwickeln, das diese Ähnlichkeiten zwischen Pflanzen und Tieren katalogisiert und damit Forschungsfragen robuster stellt“, sagt Horvath. „Möglicherweise kann diese Pflanze in Zukunft als ergänzender Modellorganismus für die Verhaltensforschung dienen.“
Alexandra Ralevski et al., Mitochondriale Pflanzen-FMT und ihr Säugetierhomolog CLUH kontrollieren die Entwicklung und das Verhalten bei Arabidopsis und die Fortbewegung bei Mäusen, Zelluläre und molekulare Biowissenschaften (2022). DOI: 10.1007/s00018-022-04382-3