Pflanzenzellen erben das Wissen, wo oben und unten ist, von der Mutterzelle

Zu wissen, wo oben und unten ist, ist für alle Lebewesen wichtig. Für Pflanzen, deren Wurzeln in die Erde und Blüten über dem Boden wachsen, würde eine falsche Polarisierung eine Reihe von Problemen verursachen. In Pflanzen hängt die Polarisierung des gesamten Organismus davon ab, dass jede einzelne Zelle polarisiert wird. Die Zellteilung stört jedoch die Polarisierung. Wie die Polarität wiederhergestellt wird, war unbekannt – bis jetzt. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben ein Teil des Rätsels gelöst: Sie fanden heraus, dass Pflanzenzellen von ihrer Mutterzelle das Wissen darüber erben, wo oben und unten ist. Die Studie, geleitet von Jiří Friml, Professor am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), und mit Erstautor Matouš Glanc, PhD Student in der Friml-Gruppe, und Matyáš Fendrych, früher Postdoc in der Friml-Gruppe und heute Assistenzprofessor an der Karlsuniversität in Prag, erscheint heute in Nature Plants.

Der gezielte Transport des Hormons Auxin erzeugt in Pflanzen eine Polarisierung, die wiederum von der polaren Verteilung der PIN-Auxin-Transporter in jeder Zelle abhängt. Das bedeutet, dass jede einzelne Zelle polar organisiert sein muss, damit die Pflanze oben von unten unterscheiden kann. Die Zellteilung stellt jedoch eine Herausforderung dar: Bei jeder Teilung wird der Transport polarer Membranproteine, wie z.B. PIN-Auxin-Transporter, zu den beiden neu gebildeten Membranen umgeleitet. Daher geht nach jeder Teilung die Polarität des PIN-Auxin-Transporter in einer der Tochterzellen verloren. Wie die richtige Polarität wieder hergestellt wird, war unbekannt. Mit einer neuen transgenen Linie der Pflanze Arabidopsis, in der fluoreszierende PIN-Auxin-Transporter ausschließlich während der Zellteilung beobachtet werden können, verfolgten die Forscher in Echtzeit, was mit PIN-Proteinen und ihrer Polarität während der Zellteilung passiert.

Was sie fanden, war überraschend, sagt Erstautor Matouš Glanc. „Wir dachten, dass Zellen mit ihren Nachbarn kommunizieren müssen, um die Polarität wiederherzustellen. Also suchten wir zuerst nach einem Signal, das zwischen den Zellen gesendet wird. Aber wir haben nichts dergleichen gefunden. Stattdessen fanden wir heraus, dass die Polarität von der Mutterzelle kommuniziert wird.“ Wie Mutterzellen ihren Tochterzellen sagen, wo sich oben und unten befinden, ist noch nicht bekannt, ergänzt Glanc. „Wir wissen, dass Polaritätsinformationen nicht durch Signale von Nachbarn vermittelt werden, sondern von der Mutterzelle übernommen werden – wir versuchen immer noch zu verstehen, wie.“

Die Forscher fanden auch heraus, dass der Prozess der Endozytose, bei der Proteine von der Zelloberfläche entfernt werden, für die Wiederherstellung der Polarität entscheidend ist. Früher dachte man, dass PIN-Auxin-Transporter, die nach der Teilung auf der „falschen“ Zellseite landen, durch Endozytose entfernt und auf die richtige Seite transportiert werden. In der Arbeit zeigen die Forscher, dass die falsch platzierten Transporter nicht umgeleitet, sondern entfernt und zerstört werden. Neue PIN-Transporter werden hergestellt und auf der richtigen Seite der Zellmembran eingesetzt.

Eine Gruppe von Kinasen, PINOID und seine Homologen WAG1 und WAG2, modifizieren PIN-Transporter durch eine chemische Reaktion namens Phosphorylierung und sind ebenfalls entscheidend für die Bestimmung der Polarität. Pflanzen, in denen alle drei Kinasen nicht mehr funktionsfähig sind, können nach der Zellteilung die Polarität nicht wiederherstellen. In diesen Mutanten sehen wir, was geschieht, wenn Pflanzen die Polarität vertauschen: Die Wurzeln wachsen nicht entlang der Schwerkraft in den Boden, sondern drehen und wenden sich.

Während die Studie einige entscheidende Antworten darauf gibt, wie die Polarität wiederhergestellt wird, bleiben weitere Fragen offen, sagt Glanc. „Wir haben Endozytose und Phosphorylierung als Schlüsselschritte in der Polaritätsbildung identifiziert und gezeigt, dass die Polarität von der Mutter vererbt wird. Aber wir müssen noch die Art der vererbten Informationen finden. Es ist etwas, das den Zellen innewohnt, aber welcher Zucker, welches Protein oder Lipid, involviert ist, wird sich erst zeigen.“

Publikation:

Matouš Glanc, Matyáš Fendrych & Jiří Friml. 2018. Mechanistic framework for cell-intrinsic re-establishment of PIN2 polarity after cell division. Nature Plants. DOI: 10.1038/s41477-018-0318-3