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Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie haben molekulare Mechanismen entdeckt, welche die Samenentwicklung bei blühenden Pflanzen steuern. Die in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Plants" veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, wie mütterliche Gene die Entwicklung des Endosperms regulieren, eines entscheidenden Gewebes in Samen, das den sich entwickelnden Pflanzenembryo ernährt und den Großteil der weltweiten Ernteerträge ausmacht.
Endosperm: Die Lebensader des Embryos
Das Endosperm ist ein lebenswichtiges Gewebe in Samen, das den wachsenden Pflanzenembryo mit wichtigen Nährstoffen versorgt. In den frühen Stadien der Samenentwicklung wächst das Endosperm häufig ohne Zellwände auszubilden, und es entsteht eine einzige große Zelle mit vielen Zellkernen. Anschließend bilden sich um diese Kerne Zellwände in einem Prozess, der als Zellularisierung bezeichnet wird. Dieser Schritt ist entscheidend, da er sicherstellt, dass der Embryo mit den Ressourcen des Endosperms versorgt werden kann. Schlägt dieser Prozess fehl, stirbt der Embryo.
Elterliche Konflikte in der Samenentwicklung
Die Entwicklung der Samen wird durch elterliche Konflikte über die Ressourcenverteilung für die Samen beeinflusst. Weibliche Blüten sind häufig promiskuitiv und können mit Pollen von vielen Partnern bestäubt werden. So konkurrieren die sich entwickelnden Samen, die jeweils väterliche Gene von verschiedenen Vätern, aber mütterliche Gene von derselben Mutterpflanze tragen, um die Ressourcen derselben Mutterpflanze. Väterliche Gene zielen darauf ab, die Ressourcenzuteilung für den einzelnen Samen zu maximieren, während mütterliche Gene bestrebt sind, die Ressourcen gleichmäßig auf alle Samen zu verteilen. Der Grund dafür ist, dass die Mutter mit all ihren Samen in gleicher Weise verwandt ist und so das Überleben all ihrer Nachkommen sichert. Da eine verzögerte Zellularisierung des Endosperms mit einer verstärkten Ressourcenzuteilung einhergeht, verzögern väterliche Gene die Zellularisierung, während mütterliche Gene sie fördern. Die unterschiedliche Aktivierung von väterlichen und mütterlichen Genen schafft ein Gleichgewicht, das für die Größe und Lebensfähigkeit der Samen entscheidend ist.
Eine mütterlicherseits kontrollierte Gruppe von Genen steuert die Zellularisierung
Das Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Claudia Köhler, Direktorin der Abteilung Pflanzliche Reproduktionsbiologie und Epigenetik, identifizierte eine Familie von Genen, die die Samenentwicklung steuern. Der Hauptautor dieser Studie, Dr. Nicolas Butel, fand heraus, dass diese als Cluster vorkommenden Auxin Responsiven Faktoren (cARFs) nur im mütterlichen Genom aktiviert werden und eine Schlüsselrolle bei der Initiierung der Zellbildung im Endosperm spielen. Durch den Vergleich von Samen, die eine Zellularisierung durchlaufen hatten, mit solchen, bei denen dies nicht der Fall war, konnte das Team diese cARFs als die entscheidenden Faktoren identifizieren, die den Prozess aktivieren.
Die Forscher wiesen nach, dass diese cARFs kurz vor der Zellularisierung aktiv sind und diesen wichtigen Prozess fördern. Erste Daten deuten darauf hin, dass dieser Genkomplex einem väterlich kontrollierten Hormonweg im Samen entgegenwirken könnte, der das Endospermwachstum fördert.
Kontrolle über Zellularisierung bedeutet Kontrolle über die Samengröße und damit des Ernteertrags.
Der größte Teil des weltweiten landwirtschaftlichen Ertrags besteht aus Samen. Zu verstehen, wie und wann die Zellularisierung im Endosperm stattfindet, hat erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft, da der Zeitpunkt dieses Prozesses die Größe und Lebensfähigkeit der Samen beeinflusst. Findet die Zellularisierung zu früh statt, sind die Samen möglicherweise zu klein; findet sie zu spät statt, sind die Samen zwar größer, aber weniger lebensfähig. Durch Veränderung der cARF-Aktivität könnten Züchter möglicherweise die Samengröße und die Ernteerträge verbessern, was spannende neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung bietet.
Diese neue Erkenntnis stellt einen großen Fortschritt in der Pflanzenwissenschaft dar, da sie Licht in die komplexen genetischen Interaktionen bringt, die die Samenentwicklung steuern. Sie eröffnet neue Wege zur Verbesserung der Produktivität von Nutzpflanzen, indem sie auf diese molekularen Mechanismen abzielt, und ist vielversprechend für die Zukunft der Pflanzenzüchtung, die das Potenzial hat, die weltweite Ernährungssicherheit erheblich zu beeinflussen.
Claudia Köhler
Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
Tel. 0331/567 8100
Koehler@mpimp-golm.mpg.de
Nicolas Butel, Yichun Qiu, Wenjia Xu, Juan Santos-González & Claudia Köhler
Parental conflict driven regulation of endosperm cellularization by a family of Auxin Response Factors, Nature Plants, 28.05.2024, https://rdcu.be/dJdgA
https://www.mpimp-golm.mpg.de/
Das Innere von sich entwickelnden Samen von Arabidopsis thaliana 4 Tage nach der Bestäubung. Während ...
Nicolas Butel
MPI-MP Nicolas Butel
Criteria of this press release:
Journalists
Biology, Environment / ecology, Nutrition / healthcare / nursing, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Research results
German
Das Innere von sich entwickelnden Samen von Arabidopsis thaliana 4 Tage nach der Bestäubung. Während ...
Nicolas Butel
MPI-MP Nicolas Butel
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