Team entschlüsselt Regulationsmechanismus, der die Stammzelldifferenzierung bei Gefäßpflanzen verhindert

Pflanzenwissenschaftler der Purdue University haben anhand eines Farnmodells ein Protein identifiziert, das eine bislang unbekannte Rolle bei der Steuerung der Zelldifferenzierung und der Geschlechtsbestimmung bei Gefäßpflanzen spielt. Die Entdeckung liefert neue Einblicke in den Prozess der Stammzellvermehrung, der die Fortpflanzung und das Überleben der Art sichert, indem er verhindert, dass sich alle Nachkommen als Männchen entwickeln.

Yun Zhou, außerordentlicher Professor für Botanik und Pflanzenpathologie, und fünf Mitarbeiter von Purdue haben kürzlich veröffentlicht ihre Ergebnisse in Aktuelle Biologie. Die Arbeit des Teams konzentrierte sich auf Ceratopteris, eine Farnart, die häufig in botanischen Studien verwendet wird, um grundlegende Prozesse aufzudecken, die die Stammzellvermehrung sowohl auf zellulärer als auch auf molekularer Ebene regulieren. Bei Pflanzen finden sich undifferenzierte Stammzellen in aktiv wachsenden Geweben, den sogenannten Meristemen.

Die Forscher entdeckten, dass ein Gen namens CrHAM mit einem äußerst wichtigen Prozess in Verbindung steht, der allen Pflanzen, Tieren und Menschen gemeinsam ist – der Stammzellvermehrung. Alle diese mehrzelligen Organismen besitzen undifferenzierte Stammzellen.

„Undifferenziert bedeutet, dass sie die Fähigkeit haben, sich zu teilen und Zellen zu liefern, die sich schließlich in alle möglichen Organe differenzieren“, sagte Zhou. „Deshalb ist die Aufrechterhaltung der Stammzellpopulation und der Meristementwicklung für das Pflanzenwachstum und die Pflanzenreproduktion wichtig.“

Obwohl Pflanzenwissenschaftler bereits wussten, dass Stammzellen eine entscheidende Rolle bei Wachstum und Entwicklung von Pflanzen spielen, „stellen wir in dieser Arbeit fest, dass CrHAM die Unbestimmtheit des Meristems reguliert, was bedeutet, dass ihre Hauptaufgabe darin besteht, die Differenzierung von Stammzellen zu verhindern“, erklärte Zhou.

Diese Pflanzenart kann sich entweder als männlich oder als Hermaphrodit entwickeln. Hermaphroditen, die sowohl männliche als auch weibliche Fortpflanzungsorgane haben, entwickeln und erhalten ein Meristem. Männchen entwickeln jedoch kein Meristem. Die in Aktuelle Biologie CrHAM ist ein Schlüsselmechanismus, der verhindert, dass Meristemgewebe bei Hermaphroditen männliche Organe bildet. Ohne diese Regulierung würde sich Meristemgewebe immer in männliche Organe differenzieren, was zum Verlust der hermaphroditischen Identität und zum Ende der Fortpflanzung der Art führen würde.

Zhous Gruppe verwendete eine Kombination aus strenger molekulargenetischer Analyse, genomweiter Expressionsprofilierung über verschiedene Geschlechtstypen und Genotypen hinweg und quantitativer Analyse der Zellteilung mittels Live-Imaging-Konfokalmikroskopie, um Daten zu sammeln und ihre Hypothese zu testen. Die in Zhous Labor entwickelte Technik ermöglichte es den Forschern, zu beobachten, wie sich einzelne Ceratopteris-Zellen teilen und in verschiedene Organe differenzieren, ohne das normale Wachstum der Pflanze zu stören.

Die bisherigen Ergebnisse mit dieser Technik wurden veröffentlicht in 2022 Kommunikationsbiologie PapierDer Hauptautor der beiden Aktuelle Biologie Und Kommunikationsbiologie Verantwortliche für die Beiträge war Yuan Geng, eine ehemalige Doktorandin der Purdue University, die in Zhous Labor ihren Abschluss machte und nun als Postdoktorandin am California Institute of Technology arbeitet.

Das Aktuelle Biologie Dieser Artikel ist der jüngste in einer Reihe von Erkenntnissen, die Zhou und sein Team seit seinem Beitritt zur Purdue-Fakultät veröffentlicht haben. Zhous Forschung zielt darauf ab, die zellulären und molekularen Mechanismen zu verstehen, mit denen Pflanzen die Stammzellteilung aufrechterhalten und die Organbildung unterstützen. Wie mehrzellige Organismen diese Prozesse ausbalancieren, wirft viele Fragen auf.

„In meinem Labor haben wir zwei Modellsysteme entwickelt, um diese Fragen zu beantworten“, sagte Zhou. Eines davon ist der Farn Ceratopteris, ein samenfreies Pflanzenmodell. Das andere ist das Sprossmeristem von Arabidopsis, einem Modell für blühende Samenpflanzen. In verwandten Arabidopsis-Forschungen mit Stammzellen und anderen Genen der HAM-Familie, die in Wissenschaft im Jahr 2018 und in Naturkommunikation Im Jahr 2020 entdeckte Zhous Gruppe regulatorische Prinzipien, die Wissenschaftler möglicherweise nutzen könnten, um die Aktivität des Sprossmeristems zu optimieren und die Ernteerträge zu steigern.

Obwohl Zhous Forschung nicht direkt auf Nutzpflanzen ausgerichtet ist, könnten die gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen, die Biomasse für die Energieerzeugung zu erhöhen und die Erträge bei der Nahrungsmittelproduktion zu steigern. Darüber hinaus könnte ein tieferes Verständnis des Verhaltens und der Regulierung von Stammzellen letztendlich der menschlichen Gesundheit zugutekommen, indem aus Stammzellen regenerierte Organe oder stammzellbasierte Therapien entwickelt werden.

„Sie alle stehen in direktem Zusammenhang mit diesem grundlegenden Mechanismus, der der Teilung und Differenzierung von Stammzellen zugrunde liegt“, sagte er. „Die grundlegenden Erkenntnisse, die wir in diesem Modellsystem gewinnen, können definitiv angewendet werden, um das Leben der Menschen zu verbessern“, sagte Zhou.

Als Gefäßpflanzen transportieren sowohl Farne als auch Samenpflanzen Wasser und Nährstoffe über spezielle Gewebe. Im Gegensatz zu Samenpflanzen bilden Farne zur Fortpflanzung jedoch Sporen und keine Samen.

Die Abstammungslinien der Farne und Samenpflanzen trennten sich vor mehreren hundert Millionen Jahren. Nach all dieser Zeit arbeitet die HAM-Genfamilie immer noch daran, Meristemzellen undifferenziert zu halten.

„Diese Gene kooperieren in verschiedenen Pflanzenarten manchmal mit unterschiedlichen Signalwegen, aber auf Zell- und Entwicklungsebene arbeiten sie auf dasselbe Ziel hin. Das ist ziemlich überraschend und wirft neue Fragen für unsere zukünftige Forschung auf“, sagte Zhou.