Das Stigma umarmt den Staubbeutel besser als die Liebe! Pflanzen geben ihr Bestes, um zu bestäuben

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Yin (Fakultät für Biowissenschaften, Sun Yat-sen-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Pflanzen führen eine sesshafte Lebensweise. Die meisten von ihnen sind ruhig und bewegen sich nicht von selbst.

Allerdings können einige Pflanzen unter besonderen Umständen tatsächlich deutlich wahrnehmbare Bewegungen erzeugen, wie beispielsweise das Zusammenziehen und Herabhängen von Mimosenblättern bei Berührung oder die Schließbewegung von Insektenfallen usw.

Die Schließbewegung des Venusfliegenfalleblattes

(Bildquelle: Referenz [1])

Tiere nutzen kontraktile Muskeln, um die Form ihres Körpers zu verändern und Bewegungen zu erzeugen. Das Hauptprinzip der Pflanzenbewegung besteht darin, dass Zellen Wasser aufnehmen oder abgeben. Dabei verlassen sie sich auf die statische Kraft der Flüssigkeit und den osmotischen Druck, wodurch sich Zellen in einigen Gewebeschichten ausdehnen oder zusammenziehen , was zu reversiblen und drastischen Formänderungen in Organen führt. Diese Zellen werden Motorzellen genannt und schwellen an (oder ziehen sich zusammen), wenn sich der osmotische Druck ändert, und erzeugen so Bewegung. Die genauen zellulären Mechanismen sind jedoch noch wenig verstanden.

Die Kontraktionsbewegung tierischer Muskeln und die Schwellungsbewegung pflanzlicher Zellen

(Bildquelle: Referenz [3])

Warum trainieren Pflanzen? Wie bewegen sie sich?

Kontraktile Zellen: Das Bewegungsgeheimnis des bunten Einblattes

Kürzlich machte das Team um Wang Yinzheng vom Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bei seiner Forschung zu Chirita pumila neue Entdeckungen, die neue Einblicke in die zellulären Mechanismen der Bewegungsorgane von Pflanzen liefern.

Das Bunte Lippensäulenmoos ist eine einjährige krautige Pflanze aus der Gattung der Lippensäulenmoose aus der Familie der Gesneriengewächse. Die Narbe ihrer Blüten weist eine bewegliche Eigenschaft auf . Bei Feldbeobachtungen stellte das Forschungsteam fest, dass die Narbe dieser Pflanze bidirektionale Öffnungs- und Schließbiegebewegungen ausführen kann. Die Narbe ist wasserempfindlich und ihre Bewegungen weisen zirkadiane Rhythmusmerkmale auf .

Anatomie der Blütenknospe der bunten Blattlippensäule

(Bildquelle: Referenz [6])

Nach einer anatomischen Analyse der Narbe der bunten Lippe stellte das Forschungsteam fest, dass sich eine Art geschichteter Zellen auf der Narbe nach der Wasseraufnahme deutlich verlängert und die verlängerte Länge mehr als das Achtfache der ursprünglichen Länge der Zelle erreichen kann.

Dieser Zelltyp nimmt die Hälfte des Volumens der Narbenlamelle ein und ist eng mit der Dehnungs- und Kontraktionsbewegung der Narbe verbunden, weshalb er auch als „kontraktile Zellen“ bezeichnet wird. Die kontraktilen Zellen können bei Feuchtigkeitsschwankungen im Tages- und Nachtverlauf reversible Dehnungs- und Kontraktionsänderungen erfahren, die die Narbe zu zirkadianen rhythmischen Bewegungen anregen.

Tägliche Bewegung der Stigmatisierung

(Bildquelle: Referenz [6])

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie fand das Forscherteam heraus, dass es sich bei den kontraktilen Zellen um einen neuen Zelltyp handelt . Die Zellen sind mit netzartigen Strukturen gefüllt und die Kerne sind an die Ränder gedrängt. Diese Zellen haben keine große zentrale Vakuole wie Parenchymzellen.

Die Netzwerkstruktur, die die Zelle ausfüllt, ist das wasserempfindliche raue endoplasmatische Retikulum (das endoplasmatische Retikulum ist eine vesikuläre, blasen- und röhrenförmige Struktur, die in den Zellen höherer Organismen aus einer Schicht von Einheitsmembranen besteht und ein kontinuierliches Retikulumsystem bildet. Die äußere Oberfläche der Membran des endoplasmatischen Retikulums mit daran befestigten Ribosomen wird als raues endoplasmatisches Retikulum bezeichnet). Das raue endoplasmatische Retikulum in den kontraktilen Zellen kann durch Wasseraufnahme und Schwellung die kontraktilen Zellen zur Verlängerung drängen, was zur Bewegung der Narbe führt. Auch diese spezielle Form des rauen endoplasmatischen Retikulums wurde erstmals entdeckt .

Vergleich kontraktiler Zellen und dünnwandiger Zellen unter Kryo-Elektronenmikroskopie

(Bildquelle: Referenz [6])

Warum umziehen? Einzigartige Strategie zum Schutz der Fortpflanzung

Wie bei anderen Arten der gleichen Gattung ist die Morphologie der Blütenorgane des Bunten Lippensäulenmooses für die Fremdbestäubung durch Insekten geeignet. In vielen Pflanzen gibt es ähnliche Strukturen, die die Bestäubung durch Insekten fördern und die Selbstbestäubung verhindern, um ihre genetische Vielfalt zu erhalten.

Bei dieser Art von Struktur befinden sich zwischen der Rückseite der gekrümmten Narbenschicht und dem Griffel zwei erhabene, einander zugewandte und miteinander verwachsene Staubbeutel, so dass die nach unten gerichtete obere Bestäubungsfläche der Narbe von den Staubbeuteln weg zeigt. Dies ist eine typische Anti-Selbstbefruchtungsstruktur , die es dem Pollen in der Blüte erschwert, mit der Bestäubungsoberfläche seines eigenen Griffels in Kontakt zu kommen.

Eine Ausnahme bildet jedoch das bunte Lippen-Einblatt, bei dem die Selbstbestäubung in den Knospen meist schon vor der Blüte abgeschlossen ist.

Den Beobachtungsergebnissen zufolge reifen Narbe und Staubbeutel synchron, und auch der Prozess der Selbstbestäubung läuft mit dem mechanischen Zusammendrücken des Staubbeutels durch die Narbe ab. Wenn die Narbenlamellen weiterhin mechanischen Druck auf die Staubbeutel ausüben, werden diese gequetscht und verformt, und es besteht die Gefahr, dass eine große Menge Pollen gewaltsam aus dem Pollenkanal ausgestoßen wird.

Die Narbenlamellen schlossen und bogen sich, als sie im Wasserempfindlichkeitsexperiment Wasser ausgesetzt wurden

(Videoquelle: Referenz [6])

Durch den Wasserverlust kehrt die Narbenschicht allmählich in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

(Videoquelle: Referenz [6])

Diese Art der Narbenbewegung ist etwas ganz Besonderes und zwischen den beiden Narbenlappen verbleibt ein Pollenkanal, der die Staubbeutelspalte verbindet. Wenn sich die Narbenlamellen biegen, drücken sie die Staubbeutel weiter zusammen, und der Pollen wird direkt durch den Kanal ausgestoßen und auf der Bestäubungsoberfläche der Narbe verteilt, wodurch die Selbstbestäubung abgeschlossen ist.

Seitenansicht des Stigma-Wasserempfindlichkeitstests

(Bildquelle: Referenz [6])

3D-Modell der Säule Kapitalbewegung

(Bildquelle: Referenz [6])

Es scheint, dass diese Bewegung des Öffnens, Schließens und Biegens der Narbe die ursprüngliche Fremdbestäubung in eine strikte Selbstbestäubung vor der Blüte, also in Kleistogamie, umwandelt.

Dies ist eine einzigartige Strategie zur Sicherung der Reproduktion, mit der sich Pflanzen an die Unsicherheit der Bestäubungsumgebung anpassen können. In einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit, die die Aktivität bestäubender Insekten einschränkt, kann der Selbstbestäubungsprozess dennoch abgeschlossen werden.

Weitere Genexpressionsanalysen zeigten, dass sich die in diesen Zellen exprimierten Gene auch von denen in Parenchymzellen unterschieden. Besonders in den späteren Stadien der Narbenentwicklung und -reifung war die Spezifität der Genexpression in kontraktilen Zellen deutlicher, und es wurde festgestellt, dass die Expression vieler Gene, die mit dem endoplasmatischen Retikulum, der Membransignaltransduktion und der Immunantwort in Zusammenhang stehen, sich signifikant von der Expression in Parenchymzellen unterscheidet.

Diese wiederholte Schließ- und Biegebewegung der Narbe hat eine funktionelle Bedeutung für die sexuelle Fortpflanzung von Pflanzen . Das Forschungsteam hofft, in Zukunft die Entstehung dieses neuen Zelltyps, insbesondere die molekularen Mechanismen und evolutionären Prozesse seiner Entstehung, aufdecken zu können und herauszufinden, ob diese spezialisierte Fortpflanzungsstrategie auch bei anderen Linien von Blütenpflanzen vorkommt.

Abschluss

So wie Menschen eine Vielzahl von Technologien nutzen, um ihr langfristiges Überleben zu sichern, entwickeln auch Pflanzen eine Vielzahl von Strategien, um sich an Umweltveränderungen anzupassen. Gerade durch diesen Prozess der gegenseitigen Anpassung an die Umwelt bleiben die Arten in der Natur reich und vielfältig.

Quellen:

[1] Dumais J und Forterre Y. Annu Rev Fluid Mech, 2012, 44: 453–78.

[2] Liu BL, et al. Pflanzenzellgewebe-Organkult, 2014, 118: 357–71

[3] Mano H und Hasebe M. J Plant Res, 2021, 134: 3–17.

[4] Morris RJ und Blyth M. J Exp Bot, 2019, 70: 3549–60.

[5] Sachse R, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 2020, 117: 16035–42.

[6] Wang YZ, et al. Natl Sci Rev, 2023, 10: nwad208.