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Donnerstag, 19.01.2017
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WOX-Gene steuern frühe Pflanzenentwicklung

Forscher entdecken Gemeinsamkeiten bei Stammzellen und Embryonen

Die Entstehung eines vielzelligen Organismus aus einer einzelnen Zelle gehört zu den Fragen, mit denen sich Forscher schon seit ewigen Zeiten beschäftigen. In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals „Developmental Cell“ berichten nun Freiburger Wissenschaftler über neu entdeckte Gene, die die ersten Differenzierungsschritte im Leben einer Pflanze steuern.
Ackerschmalwand

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Der erste Schritt zu einem vielzelligen Organismus ist die Teilung der so genannten Zygote, die aus der Verschmelzung von weiblicher und männlicher Keimzelle entsteht. Nach der Teilung entwickelt sich bei den höheren Pflanzen aus der oberen Tochterzelle der Embryo, während sich aus ihrer Schwesterzelle der Suspensor bildet, eine Art „Nabelschnur“ des Pflanzenembryos. Warum aber entwickeln sich beide Zellen überhaupt unterschiedlich?

Das Team um Professor Thomas Laux von der Universität Freiburg hat in seiner neuen Studie zeigen können, dass in der Modellpflanze Arabidopsis jede der zwei Tochterzellen jeweils eins von zwei verwandten Homöoboxgenen abliest, durch das ihre Entwicklung gesteuert wird. Die Gene wurden nach dem mit ihnen verwandten Stammzellregulator WUSCHEL als WOX (WUSCHEL Homöobox) Gene benannt. WOX-Gene kodieren eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren, die eine ähnliche Domäne zum Binden an DNA besitzen.

„WOX-Mix“ während der Embryoentwicklung


In dem Kreuzblütler Arabidopsis werden die WOX-Gene für das Schicksal beider Tochterzellen zunächst in der Zygote zusammen und erst nach der Zellteilung getrennt abgelesen. Trotzdem bleiben beide Faktoren in Kontakt: Fällt der Faktor in der unteren Zelle aus, wird auch der Faktor in der oberen Zelle nicht länger hergestellt. Das Team von Laux geht davon aus, dass durch diese Kommunikation die Entwicklung beider Zellen aufeinander abgestimmt wird. Während der Embryoentwicklung kommen weitere WOX Faktoren hinzu, so dass jeder Bereich im Bauplan des Embryos einen typischen „WOX-Mix“ besitzt.


Diese Kaskade von WOX-Funktionen deckt überraschende Ähnlichkeiten zwischen der Embryonalentwicklung bei Pflanzen und Tieren auf, obwohl sich deren Evolutionswege bereits auf der Stufe von Einzellern getrennt haben. Bei der Fruchtfliege und Säugetieren werden frühe Entscheidungen der Zelldifferenzierung ebenfalls durch spezielle Gruppen von Homöobox-Genen gesteuert.

WOX-Gene verwandt mit Stammzell-Genen


Eine interessante neue Entdeckung in Arabidopsis ist, dass die WOX-Gene, die die ersten Differenzierungsschritte im Embryo regulieren enge Verwandte jener Gene sind, die die Stammzellen in den apikalen Meristemen steuern. Damit ist eine Brücke geschlagen zu der in der Mitte des letzten Jahrhunderts vorherrschenden Idee, dass Stammzellen eigentlich „übrig gebliebene“ undifferenzierte Embryozellen sind.

Die wirtschaftliche Bedeutung von Pflanzen ist nicht zu überschätzen. Pflanzen sind die Basis unserer Nahrung, produzieren Sauerstoff, Holz, Heilmittel und vieles mehr. Deswegen sind die Vorgänge, die die Embryoentwicklung regulieren, nicht nur für die Entwicklungsbiologen äußerst spannend, sondern auch für die angewandte Forschung. Für einige der durch Freiburger Forscher entdeckten WOX-Gene konnte bereits gezeigt werden, dass sie die Bildung eines Embryos auch aus normalen Pflanzenzellen bewirken können.

Neue Möglichkeit zur Pflanzenvermehrung


Damit ist nach Ansicht der Forscher eine neue Möglichkeit geschaffen, wirtschaftlich wichtige Pflanzen zu vermehren, unter Umgehung eines der zentralen Probleme der Pflanzenzüchtung, dem Verlust vorteilhafter Eigenschaften durch genetische Vermischung bei der sexuellen Fortpflanzung.
(idw - Universität Freiburg im Breisgau, 11.06.2008 - DLO)
 
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