Mehrere Signalwege steuern die Produktion der Blütenpollen

Bei der Pollenbildung setzen Samenpflanzen auf Überfluss

21. Januar 2011

Pflanzen dürfen die Bildung von Blütenpollen nicht dem Zufall überlassen. Die Modelpflanze Ackerschmalwand benutzt dazu drei zusammenlaufende Signalwege, deren Wirkung zum Teil überlappt. Am höchsten ist die Ausbeute, wenn alle drei Prozesse anspringen. Allerdings reichen auch zwei, um eine annehmbare Menge an Blütenpollen zu bilden. Peter Huijser und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln eröffnen durch eine neue Studie einen faszinierenden Blick auf das reiche Sortiment an Proteinen, mit denen Samenpflanzen die Ausgestaltung der Staubblätter und die Bildung der Blütenpollen vorantreiben. Für Pflanzen gilt eben auch: Wer sich nicht fortpflanzt, geht unter. (The Plant Cell, 21. Dezember 2010)

Die Abbildung zeigt einen aufgehellten Blütenstand einer transgenen Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). In den noch ungeöffneten Blütenknospen sind die Antheren blau gefärbt als Zeichen der Mikro-RNA157d Expression.

Blüten sind kein nutzloser Luxus für die Pflanzen, sie enthalten schließlich die männlichen und weiblichen Fortpflanzungsorgane. In den Staubblättern entstehen die männlichen Pollen, im Fruchtknoten der weibliche Eiapparat. Durch die Verschmelzung entsteht ein keimfähiger Embryo, der die Nachkommenschaft garantiert.

Damit die Pflanzen blühen können, ist eine radikale Zäsur während der Entwicklung notwendig. Die Bildung von Blättern wird eingestellt und stattdessen erscheinen nach Geschlechtern getrennte Fortpflanzungsorgane, die Geschlechtszellen mit einfachem Chromosomensatz erzeugen. Für eine optimale Vermehrung müssen gleichzeitig auch die äußeren Einflüsse wie Lichtverhältnisse und Temperatur berücksichtigt werden. Das darf allerdings nicht so weit gehen, dass die Blütenbildung ausgesetzt wird, wenn die Umweltbedingungen nicht optimal sind.

Von den drei Signalwegen, die für die Entstehung der männlichen Fortpflanzungsorgane und Geschlechtszellen genutzt werden, ist einer nicht zu ersetzen. Dieser schon länger bekannte Weg über das SPOROCYTELESS-Gen springt an, sobald das sogenannte AGAMOUS-Protein anzeigt, aus welchen Zellen am Ende der Sprossachse die Staubblätter hervorgehen sollen.

Peter Huijser und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung haben nun gezeigt, dass nur dann funktionstüchtige männliche Fortpflanzungsorgane und Geschlechtszellen entstehen, wenn mindestens einer von zwei weiteren Signalwegen hinzukommt. Zusammen mit dem zentralen und unverzichtbaren Signalweg sorgen sie dafür, dass nicht nur die Pollenbildung im Innern des Staubblatts initiiert wird, sondern auch, dass die richtigen Gewebe und anatomischen Strukturen für die Entwicklung, Reifung und Verbreitung der Pollenkörner entstehen. Ist der zentrale Signalweg mutiert, sind die Blüten unfruchtbar.

Huijser und seine Kollegen haben vor allem Mutationen der beiden anderen Signalwege näher untersucht. Diese führen zu höchst interessanten Unterschieden bei der Fortpflanzungsfähigkeit des frühen und späten Blütenflors. Der eine Weg führt über das sogenannte SPL8-Protein, der andere über mehrere mit SPL8 verwandte Proteine. Letztere unterscheiden sich von SPL8 vor allem dadurch, dass sie durch eine kurze Ribonukleinsäure, die sogenannte Mikro-RNA156, abgeschaltet werden können. Huijser: „Fällt der SPL8-Weg wegen einer Mutation aus, ist die Pflanze weniger fruchtbar. Über den alternativen Signalweg entstehen aber immer noch genügend geschlechtsreife Pollenkörner, um den Fortbestand der Art zu sichern. Allerdings mit einer wichtigen Ausnahme: Die ersten Blüten einer Pflanze mit SPL8-Mutation sind komplett steril. Vermutlich ist der andere Signalweg in der Frühphase des Blühens noch durch eine zu hohe Mikro-RNA156 Konzentration blockiert.

Mit dieser Schlussfolgerung knüpfen die Kölner Wissenschaftler an eine Beobachtung von Detlef Weigel und seinen Kollegen vom MPI für Entwicklungsbiologie in Tübingen an. Weigel hatte gezeigt, dass einer der beiden alternativen Signalwege während des vegetativen Wachstums durch eine hohe Konzentration an Mikro-RNA156 ausgebremst wird. Je älter die Pflanze wird, desto weniger Mikro-RNA156 wird gebildet und desto schwächer wird die Bremswirkung. Sie ist allerdings noch nicht ganz aufgehoben, wenn bereits die ersten Blüten entstehen.

Huijser dazu: „Ihre Fertilität verdanken die ersten Blüten den beiden anderen Signalwegen, also dem SPOROCYTELESS- und SPL8-Weg. Ohne den SPL8-Weg kann die Ackerschmalwand in den ersten Blüten keine reifen Pollenkörner bilden. Erst die späteren Blüten sind fertil, und zwar dann, wenn die Bremswirkung der Mikro-RNA156 vollständig abgeklungen ist und der andere Signalweg angesprungen ist. Das erklärt auch, warum alle drei Signalwege zusammen das beste Ergebnis bei der Produktion der Pollenkörner liefern, zwei aber genügen, um die Fertilität der Pflanze zu sichern.“

CW/HR

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