Bei Pflanzen beginnen die Zellen, die die innere Struktur der Blätter bilden, in den frühen Stadien der Blattentwicklung als dicht gepresste Kugeln. Wenn sich das Blatt entwickelt und ausdehnt, nehmen diese Zellen neue Formen an und lösen sich auf. Dabei bleibt die Mikrostruktur des Blattes robust und intakt.
Ein Forscherteam – darunter ein Maschinenbauingenieur, ein Pflanzenbiologe und ein angewandter Physiker – hat herausgefunden, wie das passiert. Dies beantwortet nicht nur Fragen, die die Pflanzenwelt seit langem verblüffen, sondern könnte auch zur Herstellung von energieerzeugenden photosynthetischen Materialien führen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit erscheinen im Zeitschrift der Royal Society Interface.
Die mittlere Schicht der Pflanzenblätter ist als schwammiges Mesophyll bekannt, ein poröses Zellnetzwerk, in dem die Photosynthese stattfindet. Bei diesem Prozess steigt Kohlendioxid (CO2) durch die Unterseite des Blattes auf, Sonnenlicht dringt durch die Oberseite ein, und dann interagieren die beiden in der mittleren Zellschicht. In den frühen Stadien eines Blattes sind die Zellen in dieser Schicht fast kugelförmig und dicht aneinander gepackt. Wenn die Zellen jedoch so bleiben, haben das Licht und das Kohlendioxid keinen Raum für eine Wechselwirkung. Die Zellen lockern sich also, um Platz zu schaffen, damit die Photosynthese stattfinden kann. Aber warum verliert das Blatt dabei nicht seine Struktur und bricht auseinander?
„Das schwammige Mesophyll ist in der Lage, sich zu einem sehr porösen Material zu entwickeln und dennoch die Eigenschaften eines Feststoffs beizubehalten“, sagte Corey O’Hern, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften. „Das ist das Paradoxe, dass das Blatt diese labyrinthische Struktur des Luftraums schaffen muss, um die Diffusion von CO2 zu ermöglichen – aber das Blatt muss trotzdem mechanisch stabil bleiben.“
Um diesen kontraintuitiven Prozess zu verstehen, verwendeten O’Hern und die anderen Forscher Bilder, die mit konfokaler Mikroskopie der Zellen in verschiedenen Phasen der Blattentwicklung aufgenommen wurden.
„Wir haben ein Rechenmodell erstellt, um die Formen einzelner Zellen zu beschreiben und wie sehr sie aneinander haften“, sagte O’Hern. „Dann haben wir die Entwicklung des schwammigen Mesophylls modelliert, indem wir an allen Seiten an dem Gewebe gezogen haben.“
Diese Studien umfassten die Messung der Formen aller Zellen und der Porosität des Mesophylls (dh wie viel des Materials besteht aus Zellen und wie viel Luft). Die Forscher zeichneten den Entwicklungsverlauf der Zellen von frühen bis zu späten Entwicklungsstadien auf und beobachteten, wie sich die Zellen von dicht gepackten Kugeln zu länglichen und mehrlappigen Formen verwandeln.
Sie fanden heraus, dass die sich ausbreitenden Zellen, anstatt die Blattstruktur zu zerstören, die Struktur des Blattes aufrechterhielten. „Was passiert ist, dass die Zellen im schwammigen Mesophyll immer noch nach außen drängen, während das epidermale Gewebe im Blatt es im Inneren hält“, sagte O’Hern.
Die spezifische Pflanze, die sie untersucht haben, ist die Ackerschmalwand, eine Wildblume, die Wissenschaftlern als Arabidosis thaliana bekannt ist. Sie gilt als die Fruchtfliege der Pflanzen, da sie sich besonders gut für Experimente eignet. Sie keimt sehr schnell und die Gene der Pflanze sind bekannt.
Für zukünftige Studien planen die Forscher, ihr Rechenmodell auf andere Pflanzenarten anzuwenden, um zu sehen, ob das Modell die große Vielfalt der schwammigen Mesophyllstruktur erklären kann. Außerdem wollen sie das Gelernte auf die Herstellung von künstlichem Pflanzengewebe anwenden.
„Wenn wir verstehen können, wie Pflanzen bei der Photosynthese so effizient sind, und die Selbstorganisation von Blattmesophyll verstehen können, können wir vielleicht ähnliche photosynthetische Materialien im Labor herstellen.“
Mehr Informationen:
John D. Treado et al., Lokalisiertes Wachstum und Umbau treibt die schwammige Mesophyllmorphogenese an, Journal of The Royal Society Interface (2022). DOI: 10.1098/rsif.2022.0602