Pflanzliche Stammzellen halten die Luft an

Ein internationales Team mit RWTH-Beteiligung konnte zeigen, dass verminderte Sauerstoffverfügbarkeit zur Pflanzenentwicklung beiträgt. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature" veröffentlicht.

Ein Baum kann die Erdatmosphäre mittels der Photosynthese mit über 120 Kilogramm Sauerstoff jährlich anreichern. Allerdings benötigen Pflanzen auch selber Sauerstoff für ihre Energieversorgung. Pflanzenorgane wie Wurzeln oder verholzte Sprosse, die keine Photosynthese betreiben, sind darum anfällig für ungenügende Sauerstoffversorgung, die zu eingeschränkter Produktivität oder gar Ernteausfällen führen kann. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, der Scuola Superiore Sant’Anna in Pisa, der Universität Kopenhagen sowie der Universität Heidelberg haben jetzt allerdings nachgewiesen, dass niedrige Sauerstoffkonzentrationen nicht ausschließlich eine Belastung für Pflanzen sind, sondern zu den Schlüsselbedingungen für die Regulation des Wachstums zählen.

Mithilfe mikroskopischer Sonden wurde die Sauerstoffkonzentration innerhalb eines nur etwa dreißig Zellen umfassenden Gewebebereiches – der als Sprossapikalmeristem bezeichnet wird – gemessen. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Stammzellen, die für die Entstehung neuer Blätter und Blüten verantwortlich sind, von einem Nischenbereich mit niedriger Sauerstoffkonzentration umhüllt sind. Bei niedriger Konzentration kann das Protein ZPR2, zuständig für Zellwachstum und Zelldifferenzierung, stabiler werden. Diese Entdeckung knüpft an Erkenntnisse über Steuerungsmechanismen im anaeroben Pflanzenstoffwechsel an und verbessert das Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Pflanzen und Umweltbedingungen.

Die Notwendigkeit niedriger Sauerstoffwerte für den Erhalt pluripotenter Zellen ist kein Alleinstellungsmerkmal bei Pflanzen, auch diverse Stammzellenarten von Tieren oder Menschen besitzen diese Eigenschaft. Dies ist bemerkenswert, weil Pflanzen und Tiere im evolutionären Kontext nur sehr entfernt miteinander verwandt sind, als Mehrzeller aber den höchsten Grad an Komplexität aufweisen. Scheinbar ist eine sauerstoffarme Umgebung Voraussetzung für eine erfolgreiche Zellteilung in der Stammzellnische und hat sich daher unabhängig voneinander in beiden Spezies entwickelt.

Saatgutproduzenten haben nun bessere Zielvorgaben bei der Selektion neuer Zuchtkulturen, die eine Anpassung an suboptimale Voraussetzungen wie extreme Hitze oder Überflutungsgefahr ermöglicht. Auch können pflanzliche und tierische Stammzellen miteinander verglichen werden, um die Rolle pluripotenter Stammzellen bei der Organentwicklung und -erhaltung zu klären.