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Unraveling the regulatory network of developmental programmed cell death in plants

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Erforschung des Zelltods bei Pflanzen im Dienste der Kulturpflanzenentwicklung

Die Entschlüsselung der mit dem programmierten Zelltod bei Pflanzen verbundenen Geheimnisse hat ein völlig neues Forschungsfeld eröffnet, das eines Tages die Wissenschaft bei der Züchtung widerstandsfähigerer Nutzpflanzen unterstützen könnte.

Grundlagenforschung

Der programmierte Zelltod ist ein für die Entwicklung und Gesundheit aller mehrzelligen Organismen fundamental wichtiger Prozess. Bei Tieren gleicht der programmierte Zelltod die Anzahl der Zellen in den Organen aus, unterstützt die Beseitigung nicht mehr benötigter Gewebe und eliminiert infizierte oder von Krebs befallene Zellen. „Da Defekte in der Regulierung des programmierten Zelltods beim Menschen schwere Krankheiten auslösen können, sind die Mechanismen des programmierten Zelltods bei Tieren vergleichsweise gut erforscht“, erklärt Moritz Nowack, Projektkoordinator von PROCELLDEATH und Professor am VIB-UGent Zentrum für Pflanzen-Systembiologie in Belgien. „Auch bei Pflanzen haben sich Formen des programmierten Zelltods entwickelt, die für deren Entwicklung und Immunreaktionen lebenswichtig sind. Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass die Pflanzen, wie wir sie kennen, ohne den programmierten Zelltod nicht existieren könnten.“ Ungeachtet dieser Bedeutung als fundamentales Entwicklungsprinzip wissen wir jedoch immer noch wenig über den programmierten Zelltod bei Pflanzen. „Der programmierter Zelltod ist ein sehr schneller Prozess, der oft nur wenige Spuren hinterlässt“, erklärt Nowack. „Die Existenz und aktive Regulation vieler Entwicklungstypen des programmierten Zelltods ist erst vor Kurzem erkannt worden. Deshalb ist die Erforschung des programmierten Zelltods bei Pflanzen immer noch ein wissenschaftliches Neuland abseits aller ausgetretenen Pfade.“

Der Kern der Sache

Das Projekt PROCELLDEATH ging 2015 an den Start. Es ging in erster Linie darum, die Rolle des programmierten Zelltods bei der Pflanzenentwicklung besser zu verstehen. Nowack vertritt den Standpunkt, dass die Wissenschaft anhand dieser Forschung neue Strategien entwickeln könnte, um Nutzpflanzen mehr Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbelastungen zu verleihen. Besonders im Hinblick auf den Klimawandel wird die Relevanz des Themas deutlich. „Im Vorfeld dieses Projekts haben wir einen Zelltodmechanismus in der Wurzelhaube der Modellpflanze Arabidopsis thaliana entdeckt“, fügt Nowack hinzu. „Der in der Peripherie der wachsenden Wurzelspitze ablaufende Wurzelhauben-Zelltod dient dazu, alte Wurzelhaubenzellen zu entsorgen.“ Nowack wollte auf dieser Arbeit aufbauen, indem er nach jenen Zellsignalen und Mechanismen suchte, welche den Ablauf des programmiertes Zelltods zum genau richtigen Zeitpunkt steuern. Zu diesem Zweck wurde eine Kombination aus modernsten Ansätzen, einschließlich Pflanzengenetik, Bildgebung für lebende Zellen und Genomeditierung, eingesetzt. Nowack und sein Team konnten mithilfe dieser Verfahren spezifische, mit dem programmierten Zelltod assoziierte Zielgene ermitteln, die durch wichtige Transkriptionsfaktoren reguliert werden. Diese Faktoren sind in der Lage, zum programmierten Zelltod führende Programme einzuschalten, und das nicht nur in der Wurzelhaube, sondern im Grunde in jeder beliebigen Pflanzenzelle. „Wir haben außerdem den Ansatz zu dem Verfahren CRISPR-TSKO entwickelt, das diese Zielgene derart mutieren lässt, dass sie die allgemeine Wurzel- oder Pflanzenentwicklung nicht stören“, ergänzt Nowak.

Nachhaltige Lösungen

PROCELLDEATH könnte den Weg zu neuen landwirtschaftlichen Anwendungen weisen. „Wir haben mit einem großen, in den USA ansässigen Saatgutunternehmen zusammengearbeitet, um die Möglichkeit einer Verzögerung des programmierten Zelltods während der Pflanzenreproduktion zu untersuchen“, berichtet Nowack. „Auf diese Weise könnte der Saatgutertrag stabilisiert werden.“ Eine Umsetzung der Ergebnisse in landwirtschaftliche Anwendungen ist jedoch aufgrund der gesetzlichen Einschränkungen in Bezug auf die gezielte Verbesserung von Nutzpflanzen nicht ganz einfach. Dennoch könnte eine Risikobewertungsstrategie dazu beitragen, dass die Ergebnisse direkter in landwirtschaftliche Praktiken einfließen. „Mein Wunsch ist, dass unsere Arbeit einen Beitrag zur Entwicklung neuer Nutzpflanzensorten leistet“, betont Nowak. „Damit könnte die Ernährungssicherheit verbessert und der Umweltschutz unterstützt werden, da natürliche Ressourcen auf nachhaltige Weise genutzt werden.“ Die Arbeit hat auf alle Fälle der europäischen Forschung einen entscheidenden Impuls verliehen. „Wir sind jetzt in der bestmöglichen Ausgangsposition, um den schwierigsten Aspekt der Zelltoderforschung anzugehen: die Identifizierung jener real ablaufenden Mechanismen, welche während des programmierten Zelltods bei Pflanzen die aktive Beendigung der Zellfunktion steuern“, fügt Nowack hinzu. „Diese Ergebnisse werden außerdem dazu beitragen, den programmierten Zelltod als fundamentalen Mechanismus der Pflanzenentwicklung ins richtige Licht zu rücken und die Fachleute für Pflanzenbiologie noch stärker für die Erforschung dieses faszinierenden Prozesses zu gewinnen.“

Schlüsselbegriffe

PROCELLDEATH, Pflanzen, Zelle, Nutzpflanzen, Anbaupflanzen, mehrzellig, vielzellig, Krebszelle, programmierter Zelltod, Biologinnen, Biologen, CRISPR-TSKO

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