Ein erstaunlicher Anteil der menschlichen Ernährung wird aus Samen gewonnen. Getreide wie Reis oder Weizen sind für einen Großteil der Erde Grundnahrungsmittel, daher ist es für viele Botaniker und Pflanzenzüchter ein wichtiges Ziel, Pflanzen zu züchten, die größere Körner produzieren. Aber welche Faktoren steuern die Samengröße? Kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse in Nature Plants von Bin Zhang und Kollegen gefunden hat eine Rolle für ein Gen TERMINAL FLOWER1 (TFL1) in der Pflanze Arabidopsis thaliana. Das Gen kodiert für ein mobiles Protein, das das Endosperm beeinflusst, einen Hauptbestandteil des Samens, der dem Samenembryo beim Keimen einen Vorrat an Nährstoffen bereitstellt.
Bei Blütenpflanzen stammen die Samen von den befruchteten Blüten. „Bei Blütenpflanzen wird die Samenentwicklung durch doppelte Befruchtung eingeleitet“, sagte Hao Yu, Leiter des Labors, das die Forschung durchführt, in einer E-Mail an Botany One. „Vor der Befruchtung enthält eine Eizelle eine unbefruchtete Eizelle und doppelt unbefruchtete Zentralzellen, die von einer Hülle umschlossen sind. Nach der Befruchtung entwickeln sich die haploide Eizelle, die haploiden Zentralzellen und die mütterliche diploide Hülle zum diploiden Embryo, zum triploiden Endosperm bzw. zur diploiden Samenschale. Daher tragen der Embryo, das Endosperm und die Samenschale alle zur endgültigen Samengröße bei Blütenpflanzen bei.“
Es war bereits bekannt, dass TFL1 den Zeitpunkt der Blüte einer Pflanze steuert. Das bemerkte Yus Team jedoch die tfl1 Phänotyp von Arabidopsis hatte große Samen, und dass die TFL1-mRNA (das Boten-RNA-Molekül) und das TFL1-Protein an verschiedenen Stellen im Samen lokalisiert waren. Diese offensichtliche Bewegung des Proteins legte nahe, dass die Rolle von TFL1 in einem Seed nicht ganz einfach war … Yus Team stand vor drei Herausforderungen. Die erste bestand darin, das genomische Fragment zu identifizieren, das die Wirkung von TFL1 hervorrief, was es den Wissenschaftlern ermöglichte, es zu markieren TFL1, So können sie seine Rolle rund um die Anlage nachvollziehen. „Die zweite Herausforderung bestand darin, die technische Barriere des Nachweises des TFL1-Proteins durch die Optimierung verschiedener Ansätze zu überwinden, da sein endogenes Expressionsniveau extrem niedrig ist“, sagte Yu.
Schließlich musste das Team die Ergebnisse im Mikroskop abbilden – keine triviale Aufgabe. Nach der Befruchtung durchläuft der primäre Endospermkern Kernteilungen, ohne dass Zellwände gebildet werden – wodurch ein sehr empfindlicher „Kernbeutel“ entsteht. Wie Yu betont „Während des Schneidevorgangs wird das kernfreie Endosperm leicht beschädigt und fällt von Glasobjektträgern. Darüber hinaus ist das Endosperm räumlich in drei Domänen unterteilt, einschließlich mikropylares, peripheres und chalazales Endosperm. Aufgrund dieser Eigenschaften mussten wir mit vielen Abschnitten testen, um die idealen mit einer maximalen Einbeziehung dieser intakten Strukturen zu erhalten.“
Wie sich das TFL1-Protein durch die Pflanze bewegt, um diese Signale zu senden, ist noch nicht klar. Im Seed wird TFL1 transportiert RAN-Proteine und stabilisiert das ABI5-Protein, aber im Spross existiert TFL1 in einer ganz anderen Umgebung. Wie Ju sagt
„Im Spross wird die TFL1-mRNA im Zentrum des Blütenstandsmeristems exprimiert, während das TFL1-Protein zu den äußeren Zellen wandert und sich im gesamten Meristem ansammelt, um die Expression der floralen Meristem-Identitätsgene LFY und AP1 zu unterdrücken“, sagte Yu. „Da ABI5- und RAN-Funktionsverlust-Arabidopsis-Mutanten jedoch keine Phänotypen der Blütenstandsarchitektur aufweisen, könnten die Regulatoren für den TFL1-Verkehr in Samen und Trieben unterschiedlich sein.“
Der nächste Schritt, um zu verstehen, was TFL1 tut, wird sein, zu untersuchen, welche Rolle es bei der Signalübertragung zwischen der Mutterpflanze und dem Endosperm des Samens spielt. Es ist die Lokalisierung von TFL1 im Chalazal-Bereich des Endosperms – dem Teil des Endosperms neben dem nährstoffleitenden Gewebe der Pflanze –, der darauf hindeutet, dass dies eine nützliche Forschungsrichtung ist. Wie Ju sagt „So könnte es als Schlüsselpassage dienen, um den Fluss von Signalen oder Nährstoffen vom mütterlichen Gewebe zum gesamten Endosperm und Embryo zu vermitteln. Somit kann die Erzeugung von TFL1-mRNA im Chalazal-Endosperm und seinem mobilen Protein es Mutterpflanzen ermöglichen, die Samenentwicklung als Reaktion auf die Aufnahme mütterlicher Signale zu vermitteln.“
Die Verwendung von Arabidopsis thaliana, denn diese Arbeit ermöglicht es Yus Team, komplexe Systeme wie die TFL1-Signalübertragung in einer gut verstandenen Modellpflanze zu untersuchen – die von Botanikern verwendet wird Arabidopsis wie ein biomedizinischer Wissenschaftler eine Laborratte benutzen würde. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Arabidopsis Genom ist so gut verstanden, dass es oft möglich ist, Gen-Orthologe in anderen Arten, wie z. B. Nutzpflanzen, zu finden; Orthologe sind Gene, die einen gemeinsamen Vorfahren haben und eine ähnliche Funktion haben können. Aber die Möglichkeit, diese Verbindungen zu verfolgen, ermöglicht es Forschern, Prozesse darin zu entdecken Arabidopsis, sondern um Anwendungen in Nutzpflanzen zu entwickeln. Dies erfordert jedoch Teamarbeit über die unterschiedlichsten Methoden hinweg. „Fähigkeiten in der Durchführung physiologischer, genetischer, molekularer und biochemischer Experimente sind erforderlich“, sagte Yu. „Um diese Fähigkeiten zu entwickeln, sind Fleiß, Ausdauer und gute Lerngewohnheiten wichtig.“
Sie können die Zeitung lesen, über ReadCube kostenlos in Naturpflanzen.
