Enzyme für Zellwandsynthese sind über Artgrenzen hinweg konserviert
Viele Pflanzen nutzen ähnliche Gene zur Bildung ihrer Zellwand
Pflanzen haben weder stützendes Knochengewebe noch Muskeln und bilden trotzdem feste Strukturen wie Stängel oder sogar Baumstämme aus. Das liegt daran, dass Pflanzenzellen von einer stabilen Zellwand umgeben sind. Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand ist Zellulose, sie macht fast 50 Prozent des gesamten Zellwandmaterials aus und ist mit einer Billion Tonnen pro Jahr das am häufigsten in der Natur produzierte Makromolekül. Bisher weiß man nur wenig über die Art und Weise, wie Zellulose hergestellt wird und die wenigen Erkenntnisse, die es gibt, beschränken sich meist auf die einfach zu untersuchende aber wirtschaftlich unbedeutende Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Staffan Persson und seine Arbeitsgruppe vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie zeigen, dass man dieses Wissen auf andere Pflanzenarten übertragen und sogar noch erweitern kann.
Je nach Inhaltsstoffen und Eigenschaften spricht man von einer primären oder einer sekundären Zellwand. Während die Zelle noch wächst, ist sie nur von der elastischen und dehnbaren primären Zellwand umgeben. Ist die Zelle ausgewachsen, so bilden bestimmte Zelltypen, wie zum Beispiel die Leitgefäße, eine starre sekundäre Zellwand aus. Der wichtigste Bestandteil beider Zellwandarten ist die Zellulose - ein langes, kettenförmiges Molekül, das aus mehreren tausend Zuckerbausteinen besteht und extrem reißfeste Bündel, so genannte Mikrofibrillen, bilden kann. Diese Zellulose-Mikrofibrillen umspannen die Pflanzenzellen wie Stahlseile und geben ihnen Form und Stabilität. Obwohl Zellulose von Menschen und Tieren nicht selbstständig verdaut werden kann, also keinerlei Nährwert bietet, ist sie ein wichtiger Rohstoff für die Industrie. Sie kommt zum Beispiel in der Papierindustrie, im Baugewerbe oder als Brennstoff zum Einsatz.
Die Synthese der Zellulose findet an der Zellmembran statt. Der für die Zellulosesynthese verantwortliche Enzymkomplex besteht aus drei verschiedenen Cellulose Synthase-Proteinen, die vermutlich die einzelnen Zuckermoleküle miteinander verknüpfen und aus der Zelle schleusen. Die an der Synthese von Primär- und Sekundärwand beteiligten Cellulose Synthase-Proteine sind zwar miteinander verwandt, aber doch unterschiedlich. Neben den Cellulose Synthasen sind jedoch noch viele weitere Enzyme an der Synthese oder dem Export von Zellulose beteiligt. Bisher konzentrierte sich die Forschung darüber vor allem auf den Modellorganismus der Biologen, die Ackerschmalwand. Diese ist zwar botanisch anspruchslos und mit ihren kurzen Lebenszyklen gut für die Forschung geeignet, besitzt jedoch kein wirtschaftliches Potenzial. Persson und seine Mitarbeiter wollen deshalb die an dieser Pflanze gewonnenen Erkenntnisse auf bedeutendere Pflanzen übertragen.
Ziel ihrer Forschung ist es, in wichtigen Anbaupflanzen wie Gerste, Reis und Weizen sowie in Pappel und Sojabohne diejenigen Gene zu identifizieren, die die gleichen Funktionen besitzen wie bereits gut charakterisierte Gene in Arabidopsis. Mit Hilfe der so genannten Co-Expressionsanalyse untersuchten sie, welche Genfamilien zur gleichen Zeit und am gleichen Ort wie die Cellulose Synthase-Gene aktiv werden und somit vermutlich ebenfalls an der Zellulosesynthese beteiligt sind. „Gene die zur gleichen Zeit in Zellen exprimiert werden, arbeiten vermutlich auch am gleichen Prozess mit“, erklärt Persson die Herangehensweise seiner Arbeitsgruppe. Darüber hinaus gelingt es mit dieser Methode, falsch-positive Treffer auszumerzen. Denn Gene, die sich nur bei Arabidopsis, aber bei keiner anderen Art mit den Cellulose Synthase-Genen in Verbindung setzen lassen, sind vermutlich doch nicht so essenziell für die Zellwandsynthese wie bisher angenommen.
Bei einer Genfamilie, die in fast allen Co-Expressionsnetzwerken zu finden ist, handelt es sich um Glykosyltransferasen. Das sind Enzyme, die aktivierte Zuckergruppen auf bestehende Zuckerpolymere, Proteine oder Lipide übertragen. Die genaue Funktion dieser Enzyme bei der Bildung von Zellulose ist bisher noch nicht bekannt, doch ihr Vorkommen in den unterschiedlichsten Arten spricht dafür, dass sie in diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielen. Gene, die für Komponenten des Zellskeletts kodieren, waren stärker mit den primärwandspezifischen Cellulose Synthase-Genen verknüpft, was darauf hindeutet, dass das Zellskelett bei der Synthese der primären Zellwand eine wichtigere Rolle spielt. Überraschenderweise fanden die Forscher auch viele Signalgene sowie Gene zum Proteinabbau, die gemeinsam mit den Cellulose Synthase-Genen zur Ausprägung kamen.
„Unsere Methode ermöglicht eine systematische Analyse ganzer Genome unterschiedlicher Nutzpflanzen um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Genfamilien aufzudecken“ so Persson. Das alles macht die Co-Expressionsanalyse zu einem erfolgsversprechenden Instrument um das bisher auf Arabidopsis beschränkte Wissen auf landwirtschaftlich bedeutsame Pflanzen zu übertragen.
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