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Molecular mechanisms controlling endodermis and exodermis differentiation in tomato roots

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Wilde Tomaten zeigen wie Wurzeln mit schwierigen Bedingungen umgehen

Durch den Klimawandel könnte der Boden, der für den Anbau von Nutzpflanzen zur Verfügung steht, noch trockener und salziger werden. Europäische Forscher haben jetzt die molekularen Mechanismen untersucht, die bei der Wurzelentwicklung in salzigen Umgebungen eine Rolle spielen.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Wurzeln von Pflanzen haben Mechanismen entwickelt, um das Eindringen von gelösten Substanzen und Wasser zu steuern. So modifizieren sie beispielsweise die Zellwand bestimmter Typen von Wurzelzellen, die dann als physische Barriere die Aufnahme aus dem Boden regulieren. Modifizierte Verbindungen sind unter anderem Polymere von Lignin und Suberin. Einer der angesprochenen Zelltypen ist die Endodermis. Sie bildet eine ringartige Ligninstruktur, die als Casparischer Streifen bekannt ist. Reguliert wird die Anlagerung von Lignin und Suberin, damit die Pflanzen auf solche Bedingungen reagieren und sich entsprechend anpassen können. In den letzten Jahren wurden anhand der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellsystem die Entwicklung der Differenzierung von Endodermis, also der Prozess des Wachstums und der Entwicklung von Zellen, sowie die steuernden Gene untersucht. Doch der Großteil der Pflanzen hat auch noch einen weiteren Wurzelzelltyp, die Exodermis, die ebenfalls Barrieren aus Lignin und Suberin aufbaut. Die Mechanismen hinter der Differenzierung der Exodermis und ihrer Reaktion auf abiotischen Stress sind auf molekularer Ebene weitgehend ungeklärt, da die Arabidopsis keine Exodermis besitzt. Wilde und domestizierte Sorten im Vergleich Das EU-finanzierte Projekt ROOT BARRIERS sollte diese Wissenslücke schließen. Anhand von zwei Tomatensorten als Modellsystem wurde die Differenzierung der Exodermis betrachtet. „Es sollte bestimmt werden, ob diese Mechanismen denen der Endodermis ähneln oder sich von ihnen unterscheiden und inwiefern der Salzgehalt die Differenzierung auf molekularer Ebene beeinflusst“, sagt Projektkoordinator Dr. Juan Carlos del Pozo. Gefördert wurde diese Forschungsarbeit im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms. Die Forscher untersuchten die Differenzierung von Endodermis und Exodermis bei der domestizierten Sorte Solanum lycopersicum und der wilden Tomate Solanum pennellii. Außerdem wurden Daten zur Genexpression gesammelt, um herauszufinden, wie diese Zelltypen bei S. pennellii reagieren, die in den südamerikanischen Anden einheimisch ist und sich evolutionär an Trockenheit angepasst hat. Das Team testete die Toleranzfähigkeit der beiden Arten gegenüber Salzstress und bestätigte, dass S. pennellii unter stark salzhaltigen Bedingungen wachsen kann. „Es hat sich gezeigt, dass die Bildung von Wurzelbarrieren in den beiden Arten sowie auch der Einfluss von Salzstress auf ihre Differenzierung unterschiedlich ist“, erklärt Dr. Siobhan Brady, Forscherin am Partnerinstitut der University of California, Davis. Wichtige neue Daten Dank konfokalmikroskopischer Aufnahmen von Ligninablagerungen in der Tomatenwurzel konnten die Wissenschaftler die allgemeine Entwicklung einer Exodermisdifferenzierung vollständig beschreiben. Außerdem erzeugten die Wissenschaftler CRISPR/Cas9-Mutanten der mutmaßlichen Kandidatengene für die Exodermisdifferenzierung. So konnte ihre Funktion bei der Bildung von Barrieren in der Exodermis durch phänotypische Analysen nachgewiesen werden, die auf Fehler in der Ligninablagerung hindeuteten. Zusätzlich verwendeten die Forscher hochmoderne TRAP-Technologie (Affinitätsreinigung translatierender Ribosome), um gezielt ein Profil der Boten-RNA (mRNA) von Endodermis und Exodermis unter kontrollierten Bedingungen sowie unter Salzstress zu erstellen. „Das gibt uns einen Hinweis auf die Gene, die in diesen zwei Zelltypen auf Salzstress mit Modifikationen der Wurzelbarrieren reagieren. Hier entsteht der bislang erste Datensatz, in dem mRNA von bestimmten Zelltypen aus einer Pflanzenart entnommen wurde, deren Profil unter Bedingungen mit abiotischem Stress erstellt wird“, bemerkt die Marie-Curie-Einzelstipendiatin Dr. Concepcion Manzano. ROOT BARRIERS hat gezeigt, dass sich die Differenzierung von Endodermis und Exodermis im Hinblick auf die Ligninablagerung unterscheiden, und hat damit das Wissen über die Regulierung zweier wichtiger Zelltypen auf molekularer Ebene vertieft. Die Erkenntnisse über die an der Endodermis- und Exodermisdifferenzierung beteiligten Gene können auch auf andere Nutzpflanzenarten übertragen werden. Dr. del Pozo fasst zusammen: „Dieses Wissen wird für die wissenschaftliche Gemeinschaft extrem interessant sein, da es Pflanzenwachstum in widrigen Bedingungen ermöglicht.“

Schlüsselbegriffe

ROOT BARRIERS, Exodermis, Differenzierung, Endodermis, Salzstress, Boten-RNA (mRNA), Tomate, Solanum pennellii, CRISPR/Cas9, Affinitätsreinigung translatierender Ribosome, TRAP

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