Pflanzliche Stammzellen: Gezielt in die pflanzliche Architektur eingreifen

Besser verstehen wie Pflanzen-Stammzellen zusammenarbeiten

Gärtner brauchen bei der konventionellen Pflanzenzüchtung einen langen Atem, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Dabei geht es nicht nur um spektakulärere Blüten, ausgefallenere Farben, größere Früchte oder Resistenzen gegenüber Krankheiten und Schädlingen, sondern vielfach auch um ganz profane Merkmale wie eine einheitliche Größe oder dickere Stängel bzw. stärkere Wurzeln. So können Ernteroboter beispielsweise Tomaten nur dann pflücken, wenn diese immer auf der gleichen Höhe wachsen. Dort, wo die Böden besonders trocken sind, können sich jene Pflanzen besser versorgen, denen tiefere Wurzeln wachsen.

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Das Ernten von Früchten braucht viele Erntehelfer und treibt damit die Personalkosten in die Höhe. In Zukunft könnten Ernteroboter bei der Ernte unterstützen. Sie funktionieren jedoch nur, wenn beispielsweise Tomaten immer auf der gleichen Höhe wachsen und gleichmäßig reifen. Pflanzenzüchter träumen davon, gezielt in die Architektur der Pflanzen eingreifen zu können, indem sie die pflanzliche Stammzellen manipulieren.

 

An der Wageningen University & Research in den Niederlanden wird genau an diesen Grundlagen der Pflanzenmodifikation geforscht. Die Wissenschaftler untersuchen, wie man pflanzliche Stammzellen stimulieren muss, um exakt solche gewünschten Anpassungen in der Architektur der Pflanzen zu erhalten. Die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeiten veröffentlichten die niederländischen Forscher in der Zeitschrift „Genes & Development“.

Im Mittelpunkt des Forschungsinteresses steht als Modellorganismus die Arabidopsispflanze, die Acker-Schmalwand aus der Familie der Kreuzblütler. Die Wissenschaftler möchten verstehen, mit welchem „Programm“ die Pflanzen ihre Stammzellen in den Samen ausstatten und dieses später in den Seitenwurzeln modifizieren. Denn Fakt ist, dass die pflanzlichen Stammzellen, das sogenannte Meristem (zu deutsch: Bildungsgewebe), das gesamte Pflanzenleben über – buchstäblich vom Keimling bis zum Absterben – ständig neue Blätter, Blüten und Wurzeln bildet. Die Arbeit der niederländischen Forscher zeigt beispielsweise, dass in der Pflanzenwurzel zwei unterschiedliche Systeme perfekt zusammenarbeiten, um präzise zu bestimmen, wo sich die gebildete Zelle später einmal befinden soll.

 

Flexibilität wird bei Pflanzen groß geschrieben

Die beiden „Positionsbestimmungssysteme“ agieren dabei äußerst flexibel. Während das eine System auf die Menge des sich im Umlauf befindlichen Pflanzenhormons Auxin reagiert, überwacht das andere System die verändernde Bewegung eines Proteins, das an den Wurzelspitzen zu finden ist. Nur durch dieses Zusammenspiel können sich neue Seitenwurzeln entwickeln oder beschädigte Wurzeln regeneriert werden.

Dabei sind pflanzliche Stammzellen äußerst flexibel. Aus einem einzigen Blatt bzw. einem kleinen Stückchen (z. B. einem Steckling) kann wieder eine vollständige Pflanze mit Wurzeln, Stängeln, Knospen, Blättern, Blüten und Früchten entstehen.

Verstehen die Wissenschaftler dieses System einmal bis ins letzte Detail, können sie die Architektur der Pflanzen verändern und an die Anforderungen von Landwirtschaft und Gartenbau anpassen.

 

Grundlagenforschung ist mühsam und dennoch wichtig

Die jetzt veröffentlichte Arbeit ist das Ergebnis der jahrelangen Grundlagenforschung. Sie vereint darüberhinaus drei Linien und führt Erkenntnisse zusammen. Ausgangspunkt sind das Zusammenspiel des Pflanzenhormons Auxin und der Stammzellen. Sie ergeben ein System zur Positionsbestimmung. Das „Pflanzen-GPS“ funktioniert von oben nach unten und beeinflusst maßgeblich die Stammzellen-Entwicklung. Dieses Wissen wurde mit einer Studie über die Rolle der Gefäßbündel bei der Entwicklung der Stammzellen kombiniert. Dort funktioniert die Positionsbestimmung von innen nach außen. Beide Systeme arbeiten zusammen, um das WOX5-Gen einzuschalten. Bei WOX5 handelt es sich um ein Organisator-Gen, das eine wichtige Schlüsselrolle einnimmt und für den Erhalt der Stammzellenfunktion unerlässlich ist.

 

Gewünschte Veränderungen in der Pflanzen-Architektur sind das Ziel

Welche Anwendungen in Zukunft dank dieses Wissens möglich sind, steht noch in den Sternen. Jedoch ist die Landwirtschaft beständig auf der Suche nach Chancen, um Pflanzen mit höherem Ertrag und höherer Produktivität zu entwickeln und anzubauen, schließlich wächst die Weltbevölkerung und damit die Nachfrage nach Rohstoffen und Lebensmitteln.

Vor diesem Hintergrund sind neue und gezieltere Züchtungen notwendig. Dafür bedarf es tiefere Einblicke in das pflanzliche Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Obwohl man bei der Beobachtung der Stammzellen der Ackerschmalwand keine allzu großen Hightechgeräte nötig sind, ist die Stammzellenforschung an Pflanzen dennoch kostenintensiv, denn sie ist zeitintensiv. Wenn man der Pflanze die Wurzelspitze abschneidet, so kann man den Stammzellen mit dem Mikroskop direkt bei der Arbeit zusehen und beobachten, wie die Wurzelspitze wieder zu- und weiterwächst.

Die aktuelle Forschung aus den Niederlanden hilft jedoch, zu verstehen, welchem Programm die Stammzellen folgen und wie sie bei Verletzungen reprogrammiert werden. Dieses Wissen ist hilfreich, die pflanzliche Regeneration durch die Gene gezielter zu steuern und so noch schneller und bessere Pflanzen aus sich vermehrenden Zellen zu erzeugen.

Das nächste große Ziel haben die Forscher aus Wagingen auch schon angekündigt. Sie möchten die Architektur der Pflanze gezielt verändert. Bis sich jedoch eine Pflanze vom Reißbrett aus entwickeln lässt, indem die Gärtner und Bauern sagen: „Hier brauchen wir dickere Wurzeln“ und dort „alle Blätter auf einer Höhe ausgerichtet“ werden sicherlich noch viele Jahre vergehen.