Wissenschaftler zeigen, wie weibliche Gameten die Wiederherstellung der Befruchtung in Blütenpflanzen steuern

Forscher unter der Leitung von Dr. Li Hongju vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie (IGDB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben herausgefunden, dass die weibliche Keimzelle in Blütenpflanzen die Befruchtungserholung durch die Sekretion von Pollenschlauch-Lockstoffen steuert.

Die Forscher, die untersuchten, warum Eizellen nach einer fehlgeschlagenen Doppelbefruchtung weiterhin Pollenschläuche anziehen, haben auch molekulare Hinweise auf das Überleben einiger Pflanzenarten nach dem Verlust von Synergidzellen im Laufe der Evolution geliefert.

Die Studie wurde veröffentlicht in Zelle am 18. August.

Die Samenproduktion durch Düngung ist für die Pflanzenvermehrung und den Saatgutertrag von wesentlicher Bedeutung. Bereits 1904 beobachteten Botaniker das interessante Phänomen, dass mehr als ein Pollenschlauch in eine Samenanlage gezogen wird. Es wurde angenommen, dass dieser Prozess, der als „Wiederherstellung der Befruchtung“ bezeichnet wird, durch ein Versagen der Befruchtung verursacht wird. Es wurde angenommen, dass dieses Versagen die Anziehung zusätzlicher Pollenschläuche auslöste und so die Befruchtung durch die Einbringung weiterer Samenzellen verhinderte. Der zugrunde liegende Mechanismus wurde jedoch nicht erklärt.

Im Allgemeinen enthält der Embryosack von Blütenpflanzen (auch Angiospermen genannt) zwei Synergidzellen, zwei weibliche Gameten (dh eine Eizelle und eine Zentralzelle) und drei Antipodenzellen. In den letzten zwei Jahrzehnten hat eine wachsende Zahl von Beweisen gezeigt, dass Synergidzellen eine entscheidende Rolle bei der Sekretion von Pollenschlauch-Lockstoffen spielen und so eine erfolgreiche Befruchtung ermöglichen. Wissenschaftler hatten vorgeschlagen, dass diese beiden Synergidzellen der Pflanze eine zweite Chance zur Wiederherstellung der Befruchtung geben, wenn es dem ersten Synergid nicht gelingt, einen Pollenschlauch mit zwei fruchtbaren Samenzellen anzuziehen.

Jüngste Untersuchungen der LI-Gruppe haben jedoch gezeigt, dass die Samenanlagen von Arabidopsis thaliana, auch wenn ihre beiden Synergidzellen experimentell entfernt wurden, immer noch Pollenschläuche anlocken und Samen produzieren können. Diese Beobachtung deutete auf die Existenz eines alternativen Mechanismus zur Wiederherstellung der Befruchtung hin.

Eine frühere Studie der Gruppe von Li und Yang Weicai legte nahe, dass die Zentralzelle als Endosperm-Vorläufer auch für die Pollenschlauchanziehung entscheidend ist. Um zu untersuchen, ob die Zentralzelle einen Pollenschlauch-Lockstoff absondern kann, haben die Forscher die Pollenschlauch-Anziehungsaktivität von mehr als hundert sekretierten Peptiden gemessen, die in der Zentralzelle exprimiert werden. Sie fanden schließlich heraus, dass zwei von ihnen, SALVAGER1 (SAL1) und SAL2, eine Pollenschlauch-Anziehungsaktivität zeigen und sich an die Plasmamembran des Pollenschlauchs binden können.

Interessanterweise fanden sie heraus, dass SAL1 und SAL2, die in der Zentralzelle lokalisiert sind, in die Mikropyle und den Funiculus sezerniert werden, wenn Synergidzellen defekt sind oder durch die gcs1-mutierten Pollenschläuche, die unfruchtbare Spermien transportieren, eliminiert werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass es sich bei SALs um neue Arten von Pollenschlauch-Lockstoffen handelt.

Darüber hinaus verloren SAL1- und SAL2-Knockout-Mutanten die von weiblichen Gameten gesteuerte Fähigkeit, die Befruchtung wiederherzustellen. Nachfolgende Untersuchungen zeigten eine funktionelle Redundanz zwischen SAL1 und SAL2 und das synergistische Zellanziehungssystem bei einer erfolgreichen Befruchtung.

Darüber hinaus zeigte eine ähnliche Studie an Arabidopsis lyrata, einer Schwesterart von Arabidopsis thaliana, die evolutionäre Konservierung der zentralzellsekretierten SALs im Mechanismus der Befruchtungswiederherstellung.

Zusammenfassend haben die Forscher einen zentralzellgesteuerten Mechanismus zur Wiederherstellung der Befruchtung entdeckt, der für die Sicherstellung des Reproduktionserfolgs wichtig ist.