Die Kommunikation der Pflanzenzellen
Damit mehrzellige Organismen überleben können, müssen die Zellen miteinander kommunizieren. Nur so werden Aktivitäten in einzelnen Zellen organisiert und der gesamte Organismus unterstützt. In Pflanzen erfolgt die Kommunikation über einzigartige mikroskopische Strukturen namens Plasmodesmen. Das sind Löcher in der Wand mit der Zellmembran jeder Zelle, die sich mit der nächsten Zelle verbindet. Wie genau die Signalübertragung der Plasmodesmen abläuft, um die Aktionen und Reaktionen zu koordinieren, ist unklar. Die Antwort könnte im endoplasmatischen Retikulum (ER) liegen, einer verzweigten Struktur in den Poren, die über Kontaktstellen eng mit der Zellmembran verbunden ist. „Die Funktion dieser einzigartigen Membranorganisation mit den nah beieinander liegenden Membranen war für Jahrzehnte unbekannt“, sagt Emmanuelle Bayer, Forschungsleiterin am Labor für Membranbiogenese an der Universität Bordeaux. Im Rahmen des Projekts BRIDGING, das über den Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, setzten Bayer und ihr Team fortschrittliche Modellierung und 3D-Bildgebung mit ultrahoher Auflösung ein, um diese faszinierende Zellorganisation zu untersuchen und herauszufinden, ob die Verbindung zwischen dem ER und der Membran wichtig für die Funktion der Plasmodesmen ist. „Diese Arbeit ist in zweierlei Hinsicht bahnbrechend“, so Bayer. „Wir behandeln die grundlegende Frage, wie in Pflanzen im Sinne der Kommunikation die Zytokinese ‚fehlschlägt‘. Außerdem weisen wir auf eine unvorhergesehene und wichtige Rolle des ER bei der Organisation der interzellulären Kontinuität hin.“
Mögliche Tether-Proteine bestimmen
Die Forschenden führten zunächst eine Proteomanalyse durch, bei der Proteine bestimmt und quantifiziert werden. Das Team wendete diese Analyse auf Plasmodesmen an, um mögliche Tether-Proteine zu finden, die spezifisch für Plasmodesmen sind und die strukturellen Merkmale aufweisen, um als Verbindung zwischen zwei Membranen zu dienen. „Dann haben wir nachgewiesen, dass diese Proteine namens MTCP (Transmembranprotein mit mehrfacher C2-Domäne) tatsächlich nur in den Plasmodesmen in Pflanzen vorkommen“, erklärt Bayer. „Durch einen Funktionsverlust kommt es bei Arabidopsis – unserem Modellsystem – zu schweren Entwicklungs- und Wachstumsstörungen.“ Die Forschenden griffen dann auf eine Kombination zurück aus: Elektronentomographie, um die Auswirkung des MCTP-Funktionsverlusts auf die innere Struktur der Plasmodesmen zu untersuchen; Molekulardynamik, um die Wechselwirkungen zwischen MCTP und Zellmembran aufzuzeigen; mikroskopischer Zellbiologie, um den Molekularfluss in Pflanzen nachzubilden, und Biochemie.
Ein Paradigmenwechsel im Konzept der Pflanzenkommunikation
Durch die Projektergebnisse kam es zu einem konzeptionellen Wandel im Verständnis der Pflanzenkommunikation, vor allem der Regulierungsmechanismen hinter der Zell-Zell-Interaktion über Plasmodesmen. Im Laufe der letzten 5 Jahre erkannte Bayers Gruppe, mit Unterstützung durch EU-Finanzierung, dass Plasmodesmen als unkonventionelle Membrankontaktstellen dienen. Diese gibt es auch in anderen Organismen, aber nur in Pflanzen dienen sie der interzellulären Kommunikation. „Unsere Forschung steht im Gegensatz zu aktuellen Modellen, bei denen Callose als Hauptregulatoren der Zell-Zell-Interaktion genannt werden. Außerdem wird die Funktion von Membrankontaktstellen von der intrazellulären auf die interzelluläre Kommunikation ausgeweitet. Die zweite bedeutende Erkenntnis ist, dass das ER bei der Pflanzenzellteilung aktiv verhindert, dass sich die Zellen physisch trennen, sodass sich interzelluläre Brücken zwischen den Teilungswänden bilden können.
Plasmodesmen ins Rampenlicht rücken
Der neue Forschungsansatz zur Rolle von Membrankontaktstellen für die interzelluläre Kommunikation wurde in mehreren Bereichen hoch anerkannt. Viele Teams erforschen Plasmodesmen jetzt über Membrankontaktstellen – auch in der weiteren Biologie zu nicht-pflanzlichen Membranen. „Zusammen mit unserer jüngsten Arbeit zur unvollständigen Zellteilung geht aus unseren Daten auch die Bedeutung des ER hervor“, berichtet Bayer. „In den kommenden Jahren möchte ich zur Rolle des ER bei der Zell-Zell-Kommunikation forschen.“
Schlüsselbegriffe
BRIDGING, Pflanze, Kommunikation, Zellen, Plasmodesmen, Zellteilung, Membranen