Es könnte wie ein Komet oder eine Sternschnuppe aussehen, aber dieses Zeitraffervideo zeigt tatsächlich eine winzige Pflanzenwurzel, nicht viel dicker als ein menschliches Haar, hundertfach vergrößert, während sie unter dem Mikroskop wächst.
Forscher der Duke University haben solche Filme gemacht, indem sie einen Blick auf Stammzellen in der Nähe der Wurzelspitze geworfen haben und mithilfe einer Technik namens Lichtblattmikroskopie Schnappschüsse davon gemacht haben, wie sie sich im Laufe der Zeit teilen und vermehren.
Das Werk bietet mehr als nur einen Platz in der ersten Reihe für das Drama wachsender Wurzeln. Indem das Team beobachtet, wie sich die Zellen als Reaktion auf bestimmte chemische Signale teilen, findet es neue Hinweise darauf, wie Stammzellen einen Entwicklungsweg einem anderen vorziehen.
Die Forschung könnte auch neue Wege aufzeigen, um zu verhindern, dass die Stammzellteilung fehlschlägt, wie es bei Krebs und anderen Krankheiten der Fall ist.
Die Mannschaften neueste Ergebnisse erschien am 31. Januar in der Zeitschrift Natur.
Zeitrafferaufnahmen einer fadenförmigen Arabidopsis-Wurzel, während sie wächst. Jeder fluoreszierende blaue Punkt markiert den Kern einer Zelle, die sich gerade teilt, um neue Zellen zu produzieren, die anschließend die verschiedenen Gewebeschichten einer gesunden Wurzel bilden. Bildnachweis: Duke University
Die Arbeit berührt eine grundlegende Frage der Biologie, sagte die außerordentliche Forschungsprofessorin Cara Winter: „Wie erlangen Zellen ihre Identität?“ Mit anderen Worten: „Wie erhält man alle verschiedenen Zelltypen, aus denen ein Organismus besteht?“
So wie der menschliche Körper aus vielen verschiedenen Arten von Zellen besteht – im Gehirn, in den Muskeln, in den Knochen und anderswo –, enthalten auch Pflanzen verschiedene Zelltypen, die für unterschiedliche Aufgaben spezialisiert sind.
Ob in den Wurzeln, Zweigen, Blüten oder Blättern, praktisch alle Gewebe einer Pflanze stammen von kleinen Gruppen unspezialisierter Stammzellen ab, die durch Teilung neue Zellen produzieren.
Jedes Mal, wenn sich eine Stammzelle teilt, steht sie vor der Wahl: Sie kann entweder zwei neue Stammzellen wie sie selbst produzieren oder eine Kopie von sich selbst und eine Zelle erstellen, die sich verzweigt und zu etwas Neuem wird.
Es ist der letztere Prozess, der als asymmetrische Teilung bekannt ist und der die unzähligen Zelltypen erzeugt, die zur Bildung eines komplexen Organismus wie einer Pflanze oder eines Menschen erforderlich sind.
Zeitrafferaufnahmen einer fadenförmigen Arabidopsis-Wurzel, während sie wächst. Jeder fluoreszierende rosa Punkt markiert den Kern einer Zelle, die sich gerade teilt, um neue Zellen zu produzieren, die anschließend die verschiedenen Gewebeschichten einer gesunden Wurzel bilden. Bildnachweis: Duke University
Eine offensichtliche Frage ist dann: Wie wählen sich teilende Stammzellen einen Weg gegenüber dem anderen?
Diese Frage trieb Winter und Co-Erstautor Pablo Szekely, beide Forscher im Labor des verstorbenen Biologen Philip Benfey von Duke, um, als sie tagelanges Wurzelwachstum bei Arabidopsis thaliana, einem spindeldürren Mitglied der Senfgewächse, beobachteten.
Die Forscher konzentrierten sich auf zwei Schlüsselregulatoren der Zellteilung in Arabidopsis – Proteine namens Kurzwurzel und Vogelscheuche, die zusammen die sich teilenden Wurzelzellen dazu veranlassen, den Wechsel vorzunehmen.
Indem sie diese Proteine mit leuchtenden fluoreszierenden Markierungen markierten, konnten sie die Aktivität der Proteine und ihre Auswirkungen auf die Teilung von Stammzellen in Echtzeit verfolgen. Mithilfe der Lichtblattmikroskopie konnten sie bis zu 50 Stunden lang in das durchscheinende Gewebe der Wurzeln hineinblicken, ohne diese zu beschädigen.
Im Gegensatz zu früheren Vorhersagen zeigten die Forscher, dass bereits geringe Konzentrationen dieser Proteine, die zu Beginn des Prozesses der Umwandlung einer Zelle in zwei Zellen vorhanden sind, ausreichen, um einen Übergang zur asymmetrischen Teilung auszulösen.
„Alles, was sie tun müssen, ist, eine bestimmte Schwelle zu erreichen“, sagte Szekely, der 2020 als Postdoktorand in das Benfey-Labor eintrat.
Die Ergebnisse hätten auch Auswirkungen auf Menschen und andere Tiere, sagten die Forscher.
Das liegt daran, dass es zwar Pflanzen und Tiere gibt divergierte Vor mehr als einer Milliarde Jahren erbten sie einen Großteil der gleichen grundlegenden molekularen Werkzeuge – darunter viele der gleichen „Haushalts“-Gene, die für die Funktion von Zellen notwendig sind.
Dieselben Gene, die die Zellteilung in Pflanzen wie Arabidopsis regulieren, erfüllen ähnliche Aufgaben bei Tieren, einschließlich Menschen. Frühere Forschung zeigt, dass sich Zellen unkontrolliert vermehren und Tumore bilden können, wenn die asymmetrische Teilung gestört wird.
„Zellen müssen während der Entwicklung ein Programm haben: Zuerst teilen sie sich so, dann teilen sie sich so“, sagte Szekely. „Es muss streng geregelt sein, damit alles funktioniert.“
Mehr Informationen:
Cara M. Winter et al., SHR und SCR koordinieren die Wurzelstrukturierung und das Wurzelwachstum früh im Zellzyklus. Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06971-z