Pflanzenzellen mit Geometrie beeinflussen und Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Gewebeorganisation
Um in minderwertigen Böden die besten und nährstoffreichsten Pflanzen anzubauen und gleichzeitig die Abhängigkeit von anorganischen Düngemitteln und Pestiziden zu reduzieren, ist es essenziell zu verstehen, wie Pflanzen wachsen. Pflanzen sind hohem physischen Druck ausgesetzt: zum Beispiel der Verdichtung des Bodens und der Last des Windes. Doch Pflanzen könnten in der Lage sein, sich an die Bedingungen anzupassen und optimales Wachstum zu erreichen. Die Frage ist nur, wie Erzeuger und Landwirte diese Reaktion hervorrufen können.
Ergebnisse mit großer Tragweite
Das Zytoplasma von Pflanzenzellen ist nicht nur ein Klecks Gelee, es hat eine Form, die mithilfe zweier Haupt-Zytoskelett-Proteine (Aktin und Mikrotubuli) gestützt wird. Diese Hilfszellen behalten ihre Form, dennoch ist das Zytoskelett höchst dynamisch. „Hauptziel des Projekts PlantCellMech war es, einen experimentellen Ansatz zu entwickeln, um die Form der einzelnen Pflanzenzellen zu kontrollieren und die Auswirkungen der Zellgeometrie auf die Organisation des Zytoskeletts zu messen“, erklärt Pauline Durand-Smet, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin. Mithilfe von Mikro-Lithografie stellte Durand-Smet einen Satz winziger runder, quadratischer, rechteckiger und dreieckiger Silikonformen her, um Pflanzenzellen ohne Zellwände (Protoplasten) auf eine bestimmte geometrische Form zu begrenzen. Mit jeder Form wurde eine Schicht Agar mit genau dimensionierten Mikro-Wells hergestellt, die je einen einzigen Protoplasten enthielten. Durch 3D-Modellierung fand das Forschungsteam heraus, dass die beobachtete Organisation der Mikrotubuli, die die Anordnung des Mikrotubuli-Netzwerks kontrolliert, mit einer einzigen geometrischen Regel erklärt werden kann. Außerdem konnte es zeigen, dass sich die Aktine ähnlich wie die Mikrotubuli in länglichen Formen organisieren. Durch die Anwendung von Wirkstoffen, die die Polymerisation der Zytoskelett-Proteine veränderten, konnte gezeigt werden, dass die Organisation der Aktine als Reaktion auf die Geometrie von den Mikrotubuli abhängt, nicht aber umgekehrt. Experimente mit Zellen mit veränderten Kataninproteinen bestätigen auch, dass die Durchtrennung von Proteinen für eine gut angeordnete Mikrotubuli-Organisation als Reaktion auf die Formänderung wichtig ist.
Kontrolle der experimentellen Drücke
„Wenn der Turgordruck (der durch den Unterschied des osmotischen Drucks innerhalb und außerhalb der Zellen entsteht) in den Protoplasten nicht kontrolliert wird, bersten sie“, erklärt Durand-Smet. „Deshalb haben wir sichergestellt, dass der osmotische Druck während der Experimente kontrolliert war.“ Außerdem musste das Team schnell arbeiten, da die Protoplasten schon nach wenigen Stunden begannen, eine Zellwand zu bilden. Für die Analyse der Zellformmodellierung war auch die genaue Bestimmung der Aktinfilamente und Mikrotubuli bei Formveränderungen erforderlich. Das Forschungsteam von PlantCellMech verwendete Fluoreszenzmarker für die verschiedenen Proteine und beobachtete die Zytoskelett-Proteine innerhalb der Protoplasten mithilfe hochauflösender Mikroskopie.
Schlussfolgerungen, weitere Anwendungsgebiete und Ausblick in die Zukunft
Die Modellierung der Form von Protoplasten in winzigen Wells im Labor scheint von kommerziellen Anwendungen weit entfernt zu sein. Doch Pflanzen liefern die Ausgangsmaterialien für Kleidung, Papier, Möbel und Brennstoffe. Durand-Smet betont: „Wenn wir in der Lage sind, die Form der Pflanzenzellen und damit das Wachstumsmuster und den Ertrag zu kontrollieren, ist dies von wirtschaftlicher Bedeutung.“ Durand-Smet sieht diese Arbeit als einen ersten Schritt hin zu einer quantitativen Auswertung der Prozesse, durch die die Zellgeometrie zur Kontrolle der Zytoskelettorganisation in lebenden Pflanzenzellen beiträgt. „Wir hoffen, dass der in PlantCellMech verfolgte Ansatz weiterentwickelt werden kann, um zu erforschen, wie sich die Geometrie auf die Orientierung der Zellteilung bei Pflanzen oder die Zellpolarität auswirkt“, schließt sie. Für die Zukunft plant sie unter anderem die Verfolgung der Neuausrichtung des Zytoskeletts während der Änderung der Zellform und die Messung der Auswirkungen einer quantifizierbaren Kraft, die auf eine Zelle ausgeübt wird. Der Artikel, in dem diese Arbeit beschrieben wird, „Cytoskeletal organization in isolated plant cells under geometry control“, wurde in der Fachzeitschrift bioRxiv veröffentlicht.
Schlüsselbegriffe
PlantCellMech, Form, Geometrie, Protoplast, Zytoskelett, Aktin, einzelne Pflanzenzelle, osmotischer Druck, Pflanzenwachstum, Mikrotubuli
