Wie bei Tieren haben pflanzliche Gameten Helfer- oder Begleitzellen, die sie während der Entwicklung unterstützen (Übersicht in Feng und Dickinson, 2013). Spektakulärerweise gibt die wichtigste männliche Begleitzelle (auch bekannt als vegetative Zelle) – indem sie sich zum Pollenschlauch entwickelt – sogar die beiden Spermien an die Eizelle ab. In den letzten Jahren hat die molekulare Analyse von Pollenkörnern und Embryosäcken (den männlichen und weiblichen „Gametophyten“) auf eine weitere und unerwartete Rolle dieser Zellen hingewiesen. In einem Artikel in Cell aus dem Jahr 2009 berichteten Keith Slotin und Co-Autoren, dass in jungen Pollen transponierbare Elemente (TEs; „parasitäre“ DNA-Abschnitte) in der vegetativen Zelle durch die Entfernung der Stummschaltungsmethylierung aktiv wurden und kleine interferierende (si)RNAs erzeugten . Diese RNAs wanderten dann in die Spermien und brachten potenziell schädliche TEs durch DNA-Methylierung zum Schweigen. Dies spiegelt in gewisser Weise die PIWI- und MIWI-Systeme von Fliegen und Säugetieren wider, die ebenfalls TEs zum Schweigen bringen, aber hier werden siRNAs in den Keimzellen selbst erzeugt. Andere Autoren haben später vorgeschlagen, dass die große Anzahl von siRNAs, die im Endosperm (dem Nachfolger der weiblichen Begleitzelle, auch bekannt als Zentralzelle) gefunden werden, eine ähnliche Funktion ausüben und die TE-Aktivität im Ei unterdrücken könnten (Übersicht in Feng und Dickinson, 2013). . Ein solcher Prozess kann natürlich nicht nur TEs betreffen, sondern könnte auch kodierende Gene in den Keimzellen zum Schweigen bringen.

Die Idee war zwar verlockend, doch die vorgelegten Beweise waren eindeutig. Denn während Slotkin und Co-Autoren zeigten, dass TE-abgeleitete siRNAs in der vegetativen Zelle gebildet wurden, waren die Beweise für den Transport zu und die Aktivität dieser RNAs in den Spermien etwas unklar. In diesem Jahr Annals of Botany Sondervorlesung am Department of Plant Sciences der Universität Oxford, Dr. Xiaoqi Feng von der UC Berkeley berichteten, wie Daten aus ihrer neuesten Science-Veröffentlichung (Ibarra et al., 2012) zeigten, dass in Arabidopsis-Mutanten, bei denen die Demethylierung von TEs in vegetativen Pollenzellen fehlschlägt (und somit keine siRNAs erzeugt werden), die gleichen TEs in den benachbarten Spermien vorhanden sind Zellen waren untermethyliert. Die Experimente von Dr. Feng deuten stark darauf hin, dass, da die Spermien über die gesamte Maschinerie verfügen, um diese Transposons durch RNA-abhängige DNA-Methylierung (RdDM) zum Schweigen zu bringen, siRNAs der Begleitzelle (vegetative Zelle) erforderlich sind, damit dieser Prozess stattfinden kann.

So weit so gut – aber wie gelangen die siRNAs aus der vegetativen Zelle durch zwei Plasmamembranen und eine verkümmerte Zellwand in die Spermien? Dies ist ein Problem, seit die Idee von Slotkin und Co-Autoren im Jahr 2009 an die Zeitungskioske kam. Sicherlich gibt es einige Hinweise aus mikroskopischen Studien, dass die Trennung zwischen den Keimbahnzellen (Spermien) und ihrer vegetativen Begleitzelle möglicherweise nicht vollständig, aber beide zellspezifisch ist RNA-Sequenzierungsdaten und die Identifizierung einer zunehmenden Zahl von vegetativen Zell- und Spermien-spezifischen Markerproteinen deuten darauf hin, dass diese beiden Zelltypen vollständig unabhängig sind. Als Antwort würden Slotkin und Koautoren auf Experimente hinweisen, die zeigen, dass eine GFP-gerichtete künstliche Mikro-RNA (amiR), die in der vegetativen Zelle exprimiert wird, die Expression eines spermienspezifischen GFP-Markergens unterdrücken kann. Wie jedoch später darauf hingewiesen wurde (Grant-Downton et al., 2013), ist der vegetative Zellpromotor, der zur Expression des amiR (LAT52) verwendet wird, nicht wirklich zelltypspezifisch und tritt spät in der Mikrosporenentwicklung auf, was bedeutet, dass der TE siRNAs, die vom späten Mikrosporenkern erzeugt wurden, könnten von der Keimbahn durch das einst gemeinsame Zytoplasma vererbt werden. Wenn ein GFP-amiR unter Verwendung eines sehr „strengen“ vegetativen Zellpromotors (VCK1) exprimiert wurde, gelang es ihm tatsächlich nicht, ein Spermienzellen-exprimiertes GFP-Gen abzuschalten (Grant-Downton et al., 2013). Ein Problem bei diesen Experimenten kann in der Verwendung von amiRs liegen, denn während die interzelluläre Bewegung kleiner RNAs in Pflanzen gut dokumentiert ist, haben die meisten Experimente siRNAs und keine miRNAs (amiRNAs oder andere) involviert. Es kann einfach sein, dass sich microRNAs nicht mit der Leichtigkeit von siRNAs von Zelle zu Zelle bewegen.

Also – wo sind wir jetzt? Die Sequenzierungsdaten zeigen sicherlich eine überzeugende Kongruenz zwischen den in Mutantenlinien unmethylierten TEs und dem Fehlen von Silencing in ihren Gameten-Gegenstücken. Die Schlüsselfragen, wann die siRNAs – die sicherlich Schlüsselfiguren in diesem interzellulären Schachspiel sind – vom vegetativen Zellkern erzeugt werden und ob sie vererbt oder in die Keimbahn transportiert werden, müssen jedoch einem besseren Verständnis harren molekularer Ereignisse in der Mikrospore – insbesondere der Zeitpunkt der TE-Demethylierung in Bezug auf die Zytokinese und die Integrität der Teilungsprodukte.

REFERENZEN

Feng, X, Zilberman, D, Dickinson, H. (2013) Ein Gespräch über Generationen hinweg: Soma-Germ Cell Crosstalk in Plants Developmental Cell. 24 (3): 215-225 doi:10.1016/j.devcel.2013.01.014
Grant-Downton, R., Kourmpetli, S., Hafidh, S., Khatab, H., Le, Trionnaire G., Dickinson, H., Twell, D. (2013). Künstliche microRNAs zeigen zellspezifische Unterschiede in der kleinen RNA-Aktivität in Pollen Current Biology. 23 (14) doi:10.1016/j.cub.2013.05.055
Ibarra, AC, Feng, X., Schoft, VK und Hsieh, TF, Uzawa, R., Rodriguez, JA, Zemach, A., Chumak, N., Machlicova, A., Nishimura, T., Rojas, D ., Fischer, RL, Tamaru, H. und Zilberman, D. (2012). Aktive DNA-Demethylierung in pflanzlichen Begleitzellen verstärkt die Transposon-Methylierung in Gameten. Wissenschaft 337: 1360-1364
Slotkin, RK, Vaughn, M., Borges, F., Tanurdzic, M., Becker, JD, Feijo, JA, and Martienssen, RA (2009) Epigenetic reprogramming and small RNA silencing of transposable elements. Zelle 136: 461-472

Hugh Dickinson
Fachbereich Pflanzenwissenschaften der Universität Oxford.