Kommunikation im Pflanzensamen: Embryo und Endosperm
Pflanzenphysiologen der Universität Hohenheim, der Universitäten Genf, Lausanne und der Universität Lyon haben einen Steuerungsmechanismus in Pflanzensamen aufgeklärt. Die Forschung konzentrierte sich auf den molekularen Dialog zwischen Embryo und Endosperm, der auf Peptidhormonen basiert.
Im Inneren eines Pflanzensamens befinden sich zwei genetisch unterschiedliche Organismen, die miteinander kommunizieren. Diese Kommunikation ist für die Entwicklung des Samens entscheidend und unterscheidet sich grundlegend von anderen bekannten Steuerungsmechanismen bei Pflanzen. Die Ergebnisse dieser internationalen Kooperation wurden im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.
Ein Samen – zwei Organismen
Die Ausbildung der Cuticula, einer wachsartigen Schutzschicht, war eine entscheidende Anpassung in der Evolution der Pflanzen zur Eroberung des Landes. Sie verhindert Verdunstung und schützt Blätter sowie andere Pflanzenteile vor dem Austrocknen. Bereits im Samen wird die Cuticula gebildet und trennt dort den Embryo vom umgebenden Nährgewebe, dem Endosperm.
„Bemerkenswert ist, dass es sich bei dem Embryo und dem Endosperm genetisch um zwei verschiedene Organismen handelt. Dies hat mit dem besonderen Fortpflanzungsweg der Blütenpflanzen zu tun. Anders als bei Tieren findet hierbei nicht nur ein Befruchtungsereignis statt, sondern zwei“
erklärt Prof. Dr. Andreas Schaller, Leiter des Fachgebiets Physiologie und Biochemie der Pflanzen an der Universität Hohenheim. Die Kommunikation zwischen Embryo und Endosperm ist notwendig, um ihre Entwicklung abzustimmen und die Bildung der Cuticula zu steuern. Wie dieser molekulare Dialog abläuft und wie die Cuticula-Synthese gestoppt wird, wurde nun entschlüsselt.
Peptidhormone als zentrale Regulatoren
Die Steuerung der Cuticula-Bildung durch ein Peptidhormon ist aus pflanzenbiologischer Sicht von besonderem Interesse. Peptidhormone unterscheiden sich von klassischen Pflanzenhormonen, da sie als inaktive Vorstufen gebildet werden. Sie müssen durch Enzyme aktiviert werden, bevor sie ihre Wirkung entfalten können. Erst wenn das Peptid passend zugeschnitten ist, kann es an den zugehörigen Rezeptor binden und eine Reaktion auslösen.
In den letzten Jahren wurde die Bedeutung von Peptidhormonen für viele Regelungsprozesse in Pflanzen erkannt, von der Befruchtung bis zum Abwurf der Blätter. Dem Forschungsteam um Prof. Dr. Schaller, Dr. Annick Stintzi und Stefanie Royek ist es gelungen, einen solchen Signalweg vollständig aufzuklären.
Molekularer Dialog mit Stopp-Mechanismus
Die Bildung der Cuticula im Samen von Blütenpflanzen wird wie folgt gesteuert: Der Embryo produziert eine inaktive Vorstufe des Peptidhormons TWS1. Das Enzym ALE1, das für die Aktivierung des Peptidhormons notwendig ist, wird im benachbarten Endosperm hergestellt. Anfangs ist die Schutzschicht des Embryos durchlässig, sodass die inaktiven Peptidhormone ins Endosperm gelangen können.
Dort werden sie aktiviert und kehren zum Embryo zurück, wo sie an ihre Rezeptoren binden. Dies löst die Bildung von Cuticula-Bestandteilen aus, die die Poren in der Schutzschicht des Embryos verschließen und die molekulare Barriere abdichten. Wenn die Diffusion zwischen Embryo und Endosperm nicht mehr möglich ist, kann das Peptid das aktivierende Enzym nicht mehr erreichen und aktivierte Peptidhormone können nicht mehr zum Embryo zurückkehren. Die Rezeptoren werden nicht mehr aktiviert, und die Cuticula-Synthese stoppt. Der Embryo ist dann geschützt und zur Keimung bereit.