Mögliche Erklärung für effizienteres Wachstum des Mais
Biologie: Veröffentlichung in The Plant Cell
Pflanzenforscherinnen und -forschern der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) haben den Stofftransport in Mais untersucht. Ihr Fokus lag auf dem Mechanismus, wie die Produkte der Photosynthese zur weiteren Verteilung in der Pflanze in deren Leiterbahnen geführt werden. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „The Plant Cell“ beschreiben sie, dass dieser Mechanismus dem Mais möglicherweise einen besonderen evolutionären Vorteil verschafft hat.
Mais weist im Vergleich zu vielen anderen Nutzpflanzen eine wesentlich höhere Produktivität auf. Die während ihrer Evolution entwickelte besondere Blattanatomie und spezielle Form der Photosynthese (genannt „C4“) bewirkt, dass Mais deutlich schneller wachsen kann als vergleichbare Pflanzen. Mais braucht daher auch eine effizientere Transportlogistik, um die während der Photosynthese produzierten Stoffe innerhalb der Pflanze zu verteilen.
Forscherinnen und Forscher der HHU fanden nun einen bisher nicht beschriebenen Beladungsmechanismus des Phloems, also des Teils der Leitungsbündel bei Gefäßpflanzen, in denen der eigentliche Transport von Stoffen wie Zuckern oder Aminosäuren stattfindet. Diesen Mechanismus zu entwickeln, könnte der entscheidende evolutionäre Schritt hin zu einer höheren Transportrate gewesen sein, der Maispflanzen so besonders erfolgreich und nützlich macht. Vermutlich steht dies auch im Zusammenhang mit der effektiveren C4-Photosynthese, die den Mais gegenüber anderen Pflanzen auszeichnet, die nur über die C3-Photosynthese verfügen. Geleitet wurde die Studie von Dr. Ji Yun Kim und Prof. Dr. Wolf B. Frommer vom Institut für Molekulare Physiologie der HHU.
Pflanzenblätter sind an ihrer Ober- und Unterseite unterschiedlich aufgebaut, die beiden Seiten übernehmen verschiedene Aufgaben. So agieren beim Mais die Zuckertransporter (SWEET) an der Blattunterseite in den sogenannten Bündelscheidenzellen (die die Leitbündel wie einen Kranz umrahmen). Bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana werden Zucker tief im Phloem über SWEETs aus Phloemparenchymzellen herausgeschleust und direkt in die benachbarten Leitbahnen über aktiven Transport aufgenommen. In Maisblättern wird der Zucker schon von zwei sehr großen Bündelscheidenzellen Richtung Phloem abgegeben. Die wesentlich größere Oberfläche der Bündelscheidenzellen im Vergleich zum Phloemparenchym erlaubt wesentlich höhere Transportraten. Damit kann Mais im Vergleich zu Arabidopsis Zucker effektiver in die Leitbahnen einschleusen.
Doktorandin und Erstautorin Margaret Bezrutczyk von der HHU hebt hervor: „Die kranzartig angeordneten Bündelscheidenzellen sehen auf den ersten Blick gleich aus, doch die von uns angewandte Einzelzellsequenzierung ermöglichte es zum ersten Mal, verschiedene Typen von Bündelscheidenzellen im Maisblatt zu unterscheiden. Wir erwarten, dass mit dieser Technik in Zukunft viele neue Zelltypen und ihre Funktion, insbesondere in den Leitbündeln, entdeckt werden.“
Institutsleiter Prof. Frommer verweist auf die übergeordnete Bedeutung des Ergebnisses: „Maispflanzen sind aufgrund ihrer C4-Photosynthese extrem produktiv. Es ist vorstellbar, dass durch Übertragung des Beladungsmechanismus von Mais auf Reis oder andere Nutzpflanzen die Produktivität dieser Pflanzen erhöht werden kann.“
Originalpublikation:
Margaret Bezrutczyk, Nora R. Zöllner, Colin P. S. Kruse, Thomas Hartwig, Tobias Lautwein, Karl Köhrer, Wolf B. Frommer and Ji-Yun Kim, Evidence for phloem loading via the abaxial bundle sheath cells in maize leaves, The Plant Cell, 2021
DOI: 10.1093/plcell/koaa055
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