Hugh Dickinson über einen neuen Artikel in Forschung das wirft mehr Licht auf den Generationswechsel. Wann entscheidet sich eine diploide Pflanze dafür, eine haploide zu werden?

Jeder, der seit dem Gymnasium in einer Botanikklasse gesessen hat, kennt die Idee der „Generationswechsel'. In diesem botanischen Kreislauf des Lebens oszillieren sowohl niedere (Farne und Moose) als auch blühende Pflanzen zwischen einer haploiden (ein Chromosomensatz) „Gametophyten“-Generation – groß bei niederen Pflanzen, reduziert auf wenige Zellen bei Blütenpflanzen – und einer diploiden (2 Chromosomensätze) „Sporophyten“-Generation – klein in niederen Pflanzen, die „Hauptpflanze“ in höheren Pflanzen. Die gametophytische (haploide) Generation – ob groß oder klein – erzeugt die Geschlechtszellen (Pollen und Eier in Blütenpflanzen). Diese kommen dann zusammen, um den diploiden Sporophyten zu bilden, der wiederum die Gametophyten produziert – DCal in Ordnung (wie sie in Partituren sagen).

Der Wechsel von Gametophyt zu Sporophyt erfolgt, wenn sich Sperma und Ei zu einer Zygote aneinander schmiegen, aber wann der Wechsel von Sporophyt zu Gametophyt stattfindet, ist nicht klar. Die Puristen würden sagen, dass diese Umwandlung stattfindet, wenn sich die Produkte der Meiose (Sporen) teilen, um Pollen oder Embryosäcke in Blütenpflanzen zu bilden.prothalli' in Farnen und den Hauptpflanzenkörpern von Moosen und Leberblümchen. Aber wozu Meiose – der Prozess, durch den die genetische der würfel ist gefallen für die nachfolgende haploide Generation? Sicherlich tragen Zellen des Sporophyten zur Meiose bei, aber die spektakulären nuklearen Ereignisse, die in der meiotischen Abstammungslinie auftreten und bei denen Gene zwischen Chromosomen ausgetauscht werden, gehören irgendwie weder zum Sporophyten noch zum Gametophyten und existieren in einer Art intergenerationellem Schwebezustand.

Was auch immer (ein gutes Wort, um zu akzeptieren, dass Botaniker sich in manchen Dingen nie einigen werden), wir bleiben deprimierend unwissend über das Schaltsystem, das entscheidet, wann eine sporophytische Zelllinie, die sich glücklich durch Mitose teilt, plötzlich ein Interesse an Sex entwickelt, „meiotisch“ wird und sich bildet der Gametophyt. Die meisten sind sich einig, dass die Steuerung dieses Schalters – den die Pflanze sicherlich nicht aus Versehen umlegen will – ziemlich kompliziert sein und mehr als ein Gensystem involvieren dürfte – analog zum „Dual-Key“-Systeme für den Start des nuklearen Harmagedon (aber mit wohl weniger dramatischen Folgen).

Dies scheint sicherlich der Fall zu sein. Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Arp Schnittger in Hamburg und veröffentlicht in Science hat gerade den Kontrollmechanismus enträtselt, um sicherzustellen, dass in der weiblichen Linie der Modellpflanze Arabidopsistritt nur eine Zelle in den Meioseweg ein. Schon dieser einfache Schritt erfordert das Zusammenspiel von insgesamt 3 Gensystemen (1). WUSCHEL (WUS) Genfamilie, die die Zellproliferation in allen Pflanzen reguliert Meristeme, (2) Die RETINOBLASTOM-LIKE 1 (RBR1) Genweg, der das Herunterfahren des Zellzyklus verwaltet und die Zellteilung an der richtigen Stelle stoppt, und (3) drei Mitglieder des KIP-VERWANDTES PROTEIN (KRP) Genfamilie, die scheinbar die Regie führt und dafür sorgt, dass die Dinge am richtigen Ort und zur richtigen Zeit passieren. Wenn dieses System aus den Fugen gerät, werden mehr als eine der normalen einzelnen weiblichen meiotischen Zellen (auch bekannt als die „Megasporen-Mutterzelle (MMC)“) gebildet; Beispielsweise entwickeln sich in der dreifachen KRP-Mutante 2 dieser Zellen, und in der RBR1-Mutante werden viele MMCs gebildet, die alle in der Entwicklung zusammengedrängt werden Samenanlage – das weibliche Geschlechtsorgan in höheren Pflanzen (siehe Bilder unten). Obwohl diese multiplen MMCs eine Meiose durchlaufen und sich in Embryosäcke verwandeln, die Pollenschläuche anziehen können, findet keine Befruchtung statt, was darauf hindeutet, dass das System später in der Entwicklung auf Grund läuft.

Spielt irgendetwas davon eine Rolle im großen Schema der Dinge? Ja, das tut es auf jeden Fall. Eines der wichtigsten F&E-Ziele für die Pflanzenbiotechnologiebranche ist es, in der Lage zu sein, 'apomiktisch' Samen, der genetisch identisch mit seiner Mutterpflanze ist (deren Gene nicht durch den meiotischen 'Einarmigen Banditen' rekombiniert wurden). Arp Schnittger und seine Kollegen haben jetzt das System in der Hand, das den Eintritt in die allererste Stufe der weiblichen Entwicklung steuert und – wenn sie es optimieren können, um eine zu produzieren mitotisch eher als eine meiotische Zelle – ihr Weg wird offen sein, um einzelne oder mehrere diploide Embryosäcke zu erzeugen. OK, die Bestäubung ist normalerweise erforderlich, um sowohl einen väterlichen Kern hinzuzufügen als auch die Samenentwicklung zu „booten“, aber es gibt Prozesse bei einigen Pflanzen, bei denen dies umgangen werden kann. Die Zusammenführung dieser Systeme könnte zu einer Technologie führen, die die Pflanzenzüchtungsindustrie verändern würde.

Hugh Dickinson ist emeritierter Professor für Pflanzenreproduktionsbiologie (und Vorsitzender der Annals of Botany Company). Seine Forschung konzentriert sich auf Zellbiologie, Genetik und epigenetische Programmierung reproduktiver Zelllinien (Keimzellen).