Das Rätsel des Lebens lösen: Warum können Pflanzen sich regenerieren?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Liu Xinchun, Xu Chongyi, Hu Yuxin (Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Vor ein paar Tagen habe ich zu Hause die Zweige des Ginseng-Feigen-Bonsais gestutzt. Heute habe ich plötzlich festgestellt, dass aus dem Schnitt viele leuchtend grüne neue Blätter gewachsen sind (Abbildung 1). Bald werden sich aus den Organgeweben, die diese neuen Blätter tragen, neue Zweige entwickeln. Obwohl ich von der zähen Vitalität der Pflanzen beeindruckt war, konnte ich nicht anders, als sie zu beneiden. Wie schön wäre es, wenn der Mensch über die gleiche Fähigkeit wie die Pflanzen verfügen und selbst nach schweren Verletzungen selbstständig neue „Zweige“ wachsen lassen könnte. Auf diese Weise müsste Yang Guo in „Die Rückkehr der Condor-Helden“ nicht für den Rest seines Lebens ein Leben ohne Geld führen.

Abbildung 1: Aus der Wunde des Ficus ginseng wachsen neue Blätter

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Warum können Äste und Stämme von Pflanzen „verloren und wiedergefunden“ werden? Das Geheimnis liegt darin, dass Pflanzen über eine starke Regenerationsfähigkeit verfügen. Der Prozess der Selbstreparatur oder des Ersatzes von Geweben oder Organen eines Organismus nach einer Schädigung oder Belastung wird als Regeneration bezeichnet. Im Gegensatz zu Tieren, die sich bei Gefahr verstecken können, sind Pflanzen im Boden verwurzelt und können sich nicht bewegen. Sie können äußeren Schäden daher nur passiv widerstehen. Daher hat die komplexe und sich verändernde Lebensumgebung die Pflanzen dazu gezwungen, bessere Regenerationsfähigkeiten zu entwickeln.

Das wundersame Phänomen der Pflanzenregeneration

Die Regeneration von Pflanzen ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Beispielsweise können bei der Gattung Allium der Familie der Liliaceae, Zwiebeln (Allium fistulosum) und Knoblauch (Allium sativum L.), schnell neue Zwiebeln und Knoblauch geerntet werden, solange ein Teil des Rhizoms übrig bleibt und zur Kultivierung in die Erde eingebracht wird (Abbildung 2). Auch Süßkartoffeln (Ipomoea batatas) und Kartoffeln (Solanum tuberosum) bilden nach längerer Lagerung neue Triebe an ihren Wurzeln oder Knollen (Abbildung 3).

Abbildung 2: Aus Knoblauchzehen wachsen neue Triebe

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Abbildung 3: Süßkartoffelwurzelknollen (links) und Kartoffelknollen (rechts) keimen

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

In der Produktionspraxis nutzt man die Regenerationsfähigkeit der Pflanzen, um Techniken wie Pfropfen, Absenken, Stecklinge und Gewebekultur zu entwickeln. Unter Pfropfen versteht man den Vorgang, bei dem ein Zweig oder eine Knospe (Edelreis) einer Pflanze auf den Stamm oder die Wurzel (Unterlage) einer anderen Pflanze gepfropft wird. Dadurch können die hervorragenden Eigenschaften verschiedener Pflanzen integriert werden (Abbildung 4). Als Steckling bezeichnet man die Methode, einen Teil des Stängels, Blattes, der Wurzel oder der Knospe einer Pflanze in ein geeignetes Substrat (wie Erde, Sand, Wasser usw.) einzusetzen, damit er Wurzeln schlagen und sprießen und sich schließlich zu einer neuen Pflanze entwickeln kann. Daher werden Stecklinge in Stammstecklinge, Blattstecklinge, Wurzelstecklinge usw. unterteilt, wie z. B. Stammstecklinge von Rosen und Pappeln sowie gewöhnliche Blattstecklinge von Sukkulenten (Abbildung 5). Durch Gewebekultur können Techniker Orchideenstammspitzen, Blätter und anderes Gewebe zur Reproduktion verwenden und Orchideenpflanzen mit hervorragender Qualität und einheitlichem Erscheinungsbild in Massenproduktion herstellen, um die Marktnachfrage zu befriedigen. Durch die Kultivierung von virusfreiem Kartoffelstammspitzengewebe können gesunde und ungiftige Pflanzen gezüchtet und so die Qualität und der Ertrag der Kartoffeln verbessert werden (Abbildung 6).

Abbildung 4 Obstbaumveredelung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abbildung 5 Pappelstammstecklinge (links) und Sansevieria-Blattstecklinge (rechts)

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abbildung 6 Orchideengewebekultur (links) und virusfreie Kartoffelsämlingsgewebekultur (rechts)

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Erforschung der Natur der Pflanzenregeneration

Um die Prinzipien hinter diesen Phänomenen der Natur- und Produktionspraxis zu klären, haben wissenschaftliche Forscher kontinuierliche Untersuchungen durchgeführt. Vor über hundert Jahren (1902) sagte der berühmte deutsche Pflanzenphysiologe Haberlandt voraus, dass somatische Pflanzenzellen die Fähigkeit besitzen, sich nach der In-vitro-Kultur allmählich zu vollständigen Pflanzen zu entwickeln, und schlug erstmals das Konzept der „Zell-Totipotenz“ vor.

In den 1930er Jahren stellte man fest, dass Auxin und seine synthetischen Analoga eine wichtige Rolle bei der Wurzelentwicklung spielen. White und Nobécourt beobachteten erstmals die Entstehung von Trieben und Wurzeln in Pflanzengewebekulturen. Im Jahr 1947 entdeckte Levine, dass ein Kulturmedium ohne Auxine eine Redifferenzierung des Karottenwurzelgewebes in Wurzeln, Stängel und Blätter bewirken konnte.

Im Jahr 1957 entdeckten Skoog und Miller auf der Grundlage früherer Forschungen, dass unterschiedliche Verhältnisse von Kinetin/Auxin (endogene Pflanzenhormone oder deren Analoga) das Auftreten verschiedener Pflanzenorgane induzieren können: Ein hohes Kinetin/Auxin-Verhältnis induziert die Knospenbildung; ein niedriges Kinetin/Auxin-Verhältnis fördert die Wurzelbildung.

Erst 1958 veröffentlichten Steward et al. kultivierten Zellen aus dem Phloem von Karottenwurzeln in vitro und stellten fest, dass diese Zellen eine Dedifferenzierung und Redifferenzierung durchliefen, schließlich Embryonen bildeten und sich zu vollständigen Pflanzen mit Organen wie Wurzeln, Stängeln und Blättern entwickelten (Abbildung 7), was die Totipotenzhypothese von Pflanzenzellen bestätigte.

Abbildung 7 Schematische Darstellung des experimentellen Prozesses der Entwicklung von Phloemzellen aus Karottenwurzeln zu einer vollständigen Pflanze

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet basierend auf Referenz 8)

Heute haben Forscher anhand einer Vielzahl von Modellpflanzen ein umfassenderes In-vitro-Regenerationssystem für Pflanzen konstruiert und verfügen über ein tieferes Verständnis der Prinzipien der Regeneration. Regenerationsphänomene können in drei Hauptkategorien unterteilt werden: Gewebereparatur, De-novo-Organregeneration (De-novo-Wurzelregeneration und De-novo-Sprossregeneration) und somatische Embryogenese .

Bei der Reparatur von Baumwunden und beim Pfropfen in der landwirtschaftlichen Produktion wird hauptsächlich die Fähigkeit der Pflanze zur Gewebereparatur ausgenutzt. An der Stelle von Pflanzenwunden wirken mehrere Pflanzenhormone wie Auxin, Jasmonat und Gibberellin zusammen, um wichtige Transkriptionsfaktoren weiter zu aktivieren und so den Prozess der Gewebereparatur zu regulieren (Abbildung 8).

Abbildung 8 Die Leitgewebe von Arabidopsis und Tabak wurden nach der Veredelung wieder verbunden, und das von den Wurzeln aufgenommene Säurefuchsin wurde zu den Blattadern transportiert

(Bildquelle: Referenz 10)

Das Wesentliche bei Stecklingen ist der Prozess der Wurzelregeneration von Grund auf. Das isolierte Gewebe nimmt Wunden und Umweltsignale wahr, reguliert die Synthese, den Transport und die Ansammlung von Auxinen und fördert die Entstehung von Adventivwurzeln. Adventivwurzeln sind Wurzeln, die nicht aus dem normalen Wurzelsystem der Pflanze stammen (wie etwa die Pfahlwurzel oder Seitenwurzeln), sondern aus anderen Teilen der Pflanze wachsen (wie etwa dem Stängel, den Blättern oder dem Nicht-Wurzelgewebe alter Wurzeln) (Abbildung 9). Auxin ist ein zentrales Hormon bei der Wurzelregeneration, das die Zellen dabei unterstützt, Pluripotenz zu erlangen und zum Wurzelzellschicksal überzugehen.

Abbildung 9 Arabidopsis-Blattexplantate bilden Adventivwurzeln

(Bildquelle: Referenz 11)

Die Regeneration in der Pflanzengewebekultur kann im Wesentlichen in zwei Typen unterteilt werden: De-novo-Organregeneration und somatische Embryogenese. Das pflanzliche In-vitro-Regenerationssystem unter Verwendung der Modellpflanze Arabidopsis thaliana als Forschungsmaterial hat herausragende Beiträge zur Aufdeckung des zellulären Ursprungs und der Regulationsmechanismen der De-novo-Regeneration pflanzlicher Organe geleistet.

Studien haben ergeben, dass der Prozess der Regeneration pflanzlicher Organe im Wesentlichen auf zwei Arten erfolgen kann: direkt und indirekt. Bei der Methode der direkten Regeneration kann das Explantat (ein vom Pflanzenkörper abgetrennter Teil des lebenden Gewebes oder Organs) an der Wundstelle direkt eine pluripotente Stammzellgruppe – Kallusgewebe – bilden. Einige Zellen im Kallusgewebe können sich zu Knospen oder Wurzeln weiterentwickeln. Die indirekte Pflanzenregeneration erfordert die Verwendung hoher Auxinkonzentrationen, um die Umwandlung von Explantaten in Kallusgewebe zu induzieren, und dann die Zugabe unterschiedlicher Cytokinin/Auxin-Verhältnisse, um die Umwandlung pluripotenter Zellen in Sprossen oder Wurzeln zu induzieren (Abbildung 10).

Studien haben gezeigt, dass bei der In-vitro-Regeneration Kallusgewebe hauptsächlich aus den Perizykel- oder Perizykel-ähnlichen Zellen im Xylem von Explantaten entsteht. Die Methode der indirekten Regeneration ist aufgrund ihrer breiten Anpassungsfähigkeit, der einfachen Gentransformation und der Eignung für die Reproduktion im großen Maßstab von großem Wert für die kommerzielle Züchtung, die Produktionspraxis und die Grundlagenforschung.

Abbildung 10 Indirektes In-vitro-Regenerationssystem von Arabidopsis thaliana (CIM, Kallusinduktionsmedium; SIM, Sprossinduktionsmedium; RIM, Wurzelinduktionsmedium)

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Die somatische Embryogenese kann ebenfalls auf zwei Arten unterteilt werden: direkt und indirekt. Die Minipflanzen, die sich am Rand der Blätter bilden können, die Wurzeln schlagen, sind das direkte Ergebnis der somatischen Embryogenese (Abbildung 11). Die meisten Studien zur somatischen Embryogenese wurden jedoch in indirekten Systemen durchgeführt (Abbildung 12).

Ähnlich wie beim indirekten Organregenerationsprozess wird bei der somatischen Embryogenese zunächst durch Behandlung mit Auxin oder Auxin-Analoga die Produktion von embryonalem Kallus induziert, der dann in ein Kulturmedium ohne Auxin überführt wird, um die somatische Embryogenese und die Embryomorphologie einzuleiten. Der genetische Transformationsprozess von Nutzpflanzen und Futtermitteln wie Weizen, Reis und Luzerne hängt vollständig von der indirekten somatischen Embryoregeneration ab.

Abbildung 11 Minipflanzen, die aus den Blatträndern wachsen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abbildung 12 Embryonaler Kallus und Adventivknospen der Luzerne

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Die zukünftige Entwicklungsvision der Pflanzenregenerationstechnologie

Durch die Regeneration von Pflanzen ist uns die Magie der Natur bewusst geworden und die Menschen haben nie aufgehört, die zellulären Ursprünge und Regulationsmechanismen der Regeneration zu erforschen. Im Jahr 2005 veröffentlichte die international renommierte Zeitschrift Science eine Liste mit 125 der schwierigsten wissenschaftlichen Probleme, darunter auch „Wie wird aus einer einzelnen somatischen Zelle eine ganze Pflanze?“ wurde als eines der 25 wichtigsten wissenschaftlichen Probleme aufgeführt (Abbildung 13). Im September 2022 veröffentlichte das Magazin Science erneut eine der 125 aktuellsten wissenschaftlichen Fragen der Welt: „Warum werden nur einige Zellen zu anderen Zellen?“ Die Frage der Totipotenz von Pflanzenzellen war schon immer ein hochaktuelles Problem der Weltwissenschaft.

Von den kleinen Dingen um uns herum bis hin zur Anwendung von Technologie in der Arbeitsproduktion warten viele interessante Fragen darauf, von uns überdacht und beantwortet zu werden, beispielsweise: Warum bilden sich an Kartoffelknollen Knospen? Können zwei beliebige Pflanzen gepfropft werden? Wenn nicht, welche Faktoren begrenzen die Gewebereparatur zwischen ihnen? Warum können sich nicht alle Zellen zu vollständigen Pflanzen entwickeln? Wird es in Zukunft möglich sein, diese Einschränkung aufzuheben?

Abbildung 13 Die Totipotenz von Pflanzenzellen wird von Science als eines der 25 wichtigsten wissenschaftlichen Themen aufgeführt.

(Bildquelle: Science Magazin, Ausgabe 5731)

Die Technologie zur Pflanzenregeneration hat in der Zukunft große Entwicklungsaussichten. Mit der Weiterentwicklung der Biotechnologie wird dieses Feld weitere Innovationen und Anwendungen hervorbringen.

Erstens wird die Entwicklung von Technologien zur Genomeditierung (wie CRISPR-Cas9) die Effizienz und Genauigkeit der Erforschung der Funktion pflanzlicher Gene erheblich verbessern. Mithilfe der CRISPR-Technologie könnte es möglich sein, die genetischen Beschränkungen der Pflanzenregeneration zu überwinden und so die Regeneration bestimmter Arten, die sich nur schwer regenerieren lassen, durch somatische Zellen zu ermöglichen. Dies wird die Kombination von Regenerationstechnologie und Präzisionslandwirtschaft begünstigen, wodurch eine präzise Kontrolle des Pflanzenwachstumsprozesses erreicht, die Ressourcennutzung optimiert und die Effizienz der landwirtschaftlichen Produktion verbessert wird.

Zweitens wird die molekulare Züchtung mit künstlicher Intelligenz kombiniert, um durch die Analyse genomischer Hochdurchsatzdaten Schlüsselgene zu finden, die die Regenerationsfähigkeit und hervorragende Eigenschaften regulieren. Als Schlüsselelement der genetischen Transformation wird eine effiziente Pflanzenregenerationstechnologie die Integration und Förderung hervorragender Eigenschaften beschleunigen und es ermöglichen, in großem Maßstab und auf maßgeschneiderte Weise neue Sorten mit höherem Ertrag, Krankheitsresistenz und Umweltanpassungsfähigkeit zu züchten und so die nachhaltige Entwicklung der landwirtschaftlichen Produktion zu fördern.

Auch hier kann durch den Einsatz von Regenerationstechnologien in kurzer Zeit eine große Zahl dürreresistenter und salztoleranter Pflanzen zur Wiederherstellung verwüsteter Flächen produziert werden. Die Züchtung seltener Baumarten und Waldvegetation trägt zur Wiederherstellung beschädigter Ökosysteme bei und fördert die Artenvielfalt.

Darüber hinaus können mithilfe regenerativer Technologien Heilpflanzen im großen Stil vermehrt werden, um eine stabile Versorgung sicherzustellen und gleichzeitig den Gehalt an medizinischen Inhaltsstoffen durch genetische Modifikation zu erhöhen. Durch Pflanzenregeneration können außerdem wichtige Sekundärstoffe wie Arzneistoffe, Aromen und Pigmente produziert werden, die für die Pharmaindustrie von großem Wert sind.

Und schließlich könnten regenerative Technologien zu einem zentralen Instrument der synthetischen Biologie werden, das zur Entwicklung und Synthese neuer Pflanzenarten eingesetzt wird, um spezifische Umwelt- oder Industrieanforderungen zu erfüllen.

In Zukunft dürfte die Pflanzenregenerationstechnologie eine wichtigere Rolle bei der ökologischen Wiederherstellung, dem Schutz gefährdeter Pflanzen und der Entwicklung medizinischer Pflanzenressourcen spielen. Durch die kontinuierliche Optimierung der Regenerationssysteme und der Genregulation können wir besser auf Herausforderungen wie die globale Ernährungssicherheit, den Klimawandel und den Erhalt der Artenvielfalt reagieren und die koordinierte Entwicklung der Landwirtschaft und der ökologischen Umwelt fördern.

(Lateinischer Text sollte kursiv sein)

Verweise

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