Woher wissen Pflanzen, wie groß sie werden sollen?

Organismen wachsen, um sich an den Platz und die Ressourcen anzupassen, die in ihrer Umgebung verfügbar sind, was zu einer großen Vielfalt an Körpergrößen und -formen innerhalb einer Population derselben Art führt. Welche genetischen und physiologischen Mechanismen bestimmen, wie groß ein Organismus werden kann?

Bei Insekten und Säugetieren sind die zellulären und molekularen Faktoren, die der Körpergröße zugrunde liegen, gut bekannt. Aber in Pflanzen hat dieser Prozess Wissenschaftler seit Generationen verwirrt. Wie eine Pflanze die Größe steuert, zu der sie wächst, ist ein grundlegender Teil ihrer Entwicklung und beeinflusst ihre Erfolgswahrscheinlichkeit in einer bestimmten Umgebung.

„Es ist von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Pflanzen ihre Gesamtgröße während der Entwicklung kontrollieren“, sagte Sue Rhee von Carnegie, die ein Team von Wissenschaftlern leitete, das dieses Rätsel untersuchte. „Dieses Wissen könnte uns dabei helfen, die landwirtschaftliche Produktivität zu verbessern und Entscheidungen zur Landnutzung zu lenken, insbesondere da viele Umweltbedingungen durch den Klimawandel verändert werden.“

Dem Carnegie-Team – Hauptautorin Flavia Bossi, zusammen mit Benjamin Jin, Elena Lazarus, Heather Cartwright und Yanniv Dorone – gelang ein wichtiger Durchbruch bei der Beantwortung dieser seit langem bestehenden Frage. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Entwicklung.

Der Schlüssel zur Aufklärung dieses Prozesses ist der Entwicklungswechsel von der Zellproliferation – einer Teilung, die die Anzahl der Zellen erhöht – zur Zelldifferenzierung – der Spezialisierung auf Organe und Gewebe.

Die Proliferation endet, wenn sich alle Zellen eines Organs differenziert haben. Dies steuert die Anzahl der Zellen, aus denen dieses Organ besteht, und wiederum bestimmt die Geschwindigkeit und Dauer des Organwachstums die Gesamtkörpergröße der Pflanze.

„Was wir also wissen wollten, war, wie die Pflanze weiß, wann sie die Proliferationsphase verlassen muss?“ sagte Bossi.

Mithilfe einer Reihe fortschrittlicher Forschungstechniken konnte das Team feststellen, dass ein zuvor nicht charakterisiertes Gen, das sie CHIQUITA1 nannten, zusammen mit mehreren ähnlichen CHIQUITA-ähnlichen Genen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Zeitpunkts des Übergangs zwischen Proliferation und Differenzierung im Senf spielt Pflanze Arabidopsis thaliana. Sie fanden heraus, dass CHIQUITA1 sicherstellt, dass sich die Zellen eine bestimmte Anzahl von Malen vermehren, bevor sie sich differenzieren, was einen wichtigen Schritt bei der Kontrolle der Pflanzenkörpergröße offenbart.

Bossi schloss: „Pflanzen sind für so viele Aspekte des menschlichen Lebens von grundlegender Bedeutung – von der Nahrungsversorgung bis hin zu Biokraftstoffen, Medikamenten, Bauholz, Textilien und vielem mehr wärmende Welt.“

Im Gegensatz zu den meisten Forschungsarbeiten zur Zellproliferation wurde diese Arbeit auf der Ebene der einzelnen Zelle und nicht auf der Ebene der Population durchgeführt, was deutlich macht, wie viel mehr es über die Regeln der Pflanzenbiologie zu lernen gibt.