Wie sich Zellen in Pflanzenblättern organisieren, um eine optimale Fläche für die Photosynthese zu gewährleisten

Pflanzenblätter benötigen eine große Oberfläche, um Sonnenlicht für die Photosynthese einzufangen. Dr. Emanuele Scacchi und Professorin Marja Timmermans vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen der Universität Tübingen haben nun zusammen mit einem internationalen Team herausgefunden, welche genetischen Mechanismen das Wachstum von Blättern zu einer flachen Struktur steuern, die das Sonnenlicht effizient einfangen kann.

Eine Art eingebautes GPS informiert jede Zelle über ihre relative Position im wachsenden Blatt. Die Ordnung entspricht einem biologischen Konzept der Selbstorganisation, das vom berühmten Mathematiker Alan Turing vorhergesagt wurde. Die Studie zum Blattwachstum wurde durchgeführt veröffentlicht im Tagebuch Naturpflanzen.

„Wenn sich Zellen teilen und vermehren, entsteht meist ein Zellhaufen. Wir wollten wissen, wie bei einem Blatt die Zellteilung zu einer großen flachen Fläche führt“, sagt Scacchi. Dazu arbeitete ein Team aus Mathematikern und Experimentalbiologen zusammen, um die Prozesse mithilfe von Computermodellen, Methoden der Molekulargenetik und bildgebenden Verfahren an lebenden Organismen zu verfolgen.

„Die Grundlage einer solchen Musterbildung ist die Polarität, also die Fähigkeit, in diesem Fall zwischen oben und unten zu unterscheiden. Sie wird normalerweise durch einen Konzentrationsgradienten einer Substanz namens Morphogen erzeugt, der auf einer Seite niedrig und höher ist.“ andererseits“, erklärt Scacchi.

Autonome Richtung

Das Team entdeckte, dass „kleine RNAs“ eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des wachsenden Blattes spielen. Als mobile Boten dienen sie der Kommunikation zwischen den Zellen und helfen den Zellen, ihre relative Position zueinander in der Struktur wahrzunehmen – ähnlich einem GPS. Darüber hinaus übermitteln die kleinen RNAs Informationen, die koordinieren, welche Gene auf der Ober- und Unterseite aktiviert oder gehemmt werden müssen, damit das Blatt die richtige Form und Funktion erhält.

„Dieser Regulierungsmechanismus funktioniert autonom im wachsenden Blatt; es gibt keine zentrale Steuerung in der Pflanze“, sagt Timmermans. „Wir haben festgestellt, dass unsere Ergebnisse einer Theorie entsprechen, die Alan Turing vor mehr als sieben Jahrzehnten aufgestellt hat. Obwohl er vor allem für seine Beiträge zur Informatik bekannt ist, beschäftigte er sich auch mit den Geheimnissen der Natur.“

Turing schlug vor, dass einfache Wechselwirkungen zwischen bestimmten Molekülen in den Zellen von Lebewesen zur Bildung komplexer Muster führen können, wie etwa die Flecken auf dem Fell eines Leoparden oder die Streifen auf einem Zebra. „Er hat diese Prozesse in seiner Theorie der Morphogenese mathematisch beschrieben. Unsere neue Studie baut auf dieser Theorie auf. Wir haben einen durch kleine RNAs gesteuerten Mechanismus entdeckt, der Turings Konzept der Musterbildung durch Selbstorganisation entspricht“, sagt Timmermans.

In diesem Fall bezieht sich Selbstorganisation auf das genetisch kontrollierte Verhalten der Zellen, die sich gemeinsam wie ein Vogelschwarm verhalten und ein kollektives Verhalten bilden, um das richtige Muster und die flache Struktur eines Blattes zu erzeugen. Jeder Vogel im Schwarm reagiert auf die Bewegungen seiner Nachbarn, und obwohl es keinen Anführer gibt, erzeugen die kollektiven Interaktionen ein kohärentes, organisiertes Muster.

Anpassbares System

„Die kleinen RNA-Moleküle in den Zellen des wachsenden Blattes setzen einen genetischen Prozess in Gang, der es den Zellen ermöglicht, ihre Umgebung wahrzunehmen und zu interpretieren“, sagt Scacchi. Die Aktivitäten der Gene werden zwischen den Zellen so koordiniert, dass jedes Blatt in einen scharf abgegrenzten oberen und unteren Teil unterteilt ist, die eine vollkommen flache Leinwand für die Photosynthese bilden.

Ein solcher selbstorganisierender Turing-Mechanismus kann die Genaktivität an interne und externe Störungen während der Blattentwicklung anpassen, sodass die Blattform trotz drastischer Veränderungen in der Umwelt einheitlich bleiben kann.

„Darüber hinaus bietet dieses genetische System viele Möglichkeiten zur Feinabstimmung. Dies erklärt die Vielfalt der in der Natur beobachteten Blattformen, von der einfachen Ranke einer Kletterpflanze bis zum komplexen Kannen bei einigen fleischfressenden Pflanzen. Aber unsere Entdeckung ist nicht nur wichtig.“ weil es Turings Erbe ein neues Kapitel aufschlägt“, sagt Timmermans.

„Wir haben die grundlegenden Mechanismen entschlüsselt, durch die kleine RNAs selbstorganisierende genetische Prozesse ermöglichen. Jetzt können wir erforschen, wie Menschen diese biologischen Funktionen verändern und nutzen können. Angesichts der weltweit wachsenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln brauchen wir optimierte Pflanzen mit hohen Erträgen, die robust sind.“ gegen Stressfaktoren wie die globale Erwärmung.“