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Ackerschmalwand im Labor

Master-Gene für Blatt und Wurzel

US-Forscher haben zwei Hauptschalter im Erbgut der Ackerschmalwand entdeckt: Sie bestimmen, wo Pflanzen Wurzeln wachsen - und an welchem Ende Stamm und Blätter entstehen.

Biologie 01.03.2010

Zwei Pole im Embryo

Das liebste Haustier der Botaniker ist bekanntlich die Ackerschmalwand, auch Schottenkresse genannt. Sie gehört zur gleichen Familie wie die Gartenkresse, mit der schon (fast) jeder ein Keimungsexperiment durchgeführt hat: Auf einer Seite des Samens entsteht ein zarter Spross mit Keimblättern, auf der anderen wächst ein bleicher Fortsatz, der einmal als Wurzel in die Erde dringen wird.

Aber wie "weiß" die Pflanze, wo welches Organ wachsen soll? "Root or shoot?", heißt die eingängige Formel für dieses Problem im Englischen.

Das Oben-ohne-Gen

"Alle Wachstumsvorgänge werden durch Phytohormone gesteuert", erklärt Rudolf Maier, Pflanzenphysiologe von der Universität Wien. "Wenn sie zu einem Blumenmarkt gehen, sehen sie, wie einfach das geht. Dort stellt man die Pflanzen in der Regel nicht mit Stecklingen her, sondern mit kleinen Gewebestücken, die mit einer Hormonmischung behandelt werden. "

In der Natur muss der Pflanzenembryo den entsprechenden Cocktail freilich selbst herstellen, damit sich die lebenswichtigen Organe ausbilden - ein Prozess, der letztlich von Genen gesteuert wird. Bisher war bekannt, dass etwa das sogenannte Topless-Gen eine Rolle spielen muss: Manche Embryos mit einem mutierten Topless-Gen sind nämlich völlig blattfrei, dafür bilden sie oben und unten Wurzeln.

Wundersame Organverdopplung

Zachery Smith und Jeff Long vom kalifornischen Salk Institute haben nun herausgefunden, dass das Topless-Gen tatsächlich der Hauptschalter der Wurzelentwicklung der Ackerschmalwand - und vermutlich auch vieler anderen Pflanzen ist. In der Hierarchie der Erbfaktoren sind ihm zwei Gene namens Plt1 und Plt2 untergeordnet, und zwar im buchstäblichen Sinn.

Topless hemmt diese beiden Gene im Normalfall auf jener Seite des Embryos, wo einmal der Stamm und die Blätter entstehen sollen. Wird diese Unterdrückung durch eine Mutation aufgehoben, entsteht der bizarre Embryo mit Doppelwurzel.

Mikroskopaufnahme eines Pflanzenembryos

Zachary R. Smith, Salk Institute for Biological Studies

Pflanzenembryo: Der grüne Teil wird sich zum Spross entwickeln.

Das Gegenstück auf der anderen Seite des Embryos haben Smith und Long nach Versuchen mit Tausenden mutierten Pflanzen ebenfalls entdeckt. Die verantwortlichen Gene gehören zur sogenannten HD-Zip-III-Gruppe. Aktiviert man sie auf der Wurzelseite, entsteht wieder eine absonderliche Organverdopplung, diesmal eben eine Ackerschmalwand mit zwei Sprossen.

Orientierungshilfen: Licht ...

Die beiden Pole der Pflanze sind zwar von vornherein durch die Gene festgelegt, die Wuchsrichtung indes orientiert sich bereits an der Umwelt: am Licht und an der Schwerkraft. Was sinnvoll ist, denn ansonsten wäre schon die kleinste Lageveränderung der Pflanze ein unlösbares Problem.

"Wenn man einen Baum schräg platziert, wächst er nach kurzer Zeit trotzdem in die richtige Richtung", sagt Rudolf Maier. "Pflanzen können mit Hilfe von Proteinen und Pigmenten, dem sogenannten Phytochromsystem, nicht nur erkennen, woher das Licht kommt. Sie wissen auch, dass sie unter bestimmten Umständen in mehr Längenwachstum investieren müssen, weil es zu schattig ist. Daher sind im Wald alle Pflanzen größer."

... und Schwerkraft

Wie die Pflanzen Schwerkraft wahrnehmen, ist nicht ganz so gut erforscht wie die Orientierung am Licht. Die Grundidee: Kleine Stärkekörner in der Zelle könnten durch Druck auf die Plasmamembran einen Wachstumsreiz auslösen, der immer zur Erdmitte oder in die Gegenrichtung zeigt. "Diese Theorie stammt aus dem Jahr 1880 und sie ist bis heute nicht widerlegt", sagt Maier. "Ob es sich dabei unbedingt um Stärkekörner handeln muss, ist offen. Im Prinzip würde das auch mit anderen Substanzen funktionieren."

Experimente auf der Raumstation MIR zeigen jedenfalls: In Schwerelosigkeit funktioniert die Orientierung von Wurzel und Spross deutlich schlechter. Vollständig ausgeschaltet ist sie jedoch auch im Weltraum nicht.

Robert Czepel, science.ORF.at