Wie Pflanzen ihre Heilung koordinieren

Wenn wir uns in die Finger schneiden, strömt Blut aus der Wunde, das dabei hilft die Verletzung rasch wieder zu schließen. Doch das Gemüse, das wir kleinschneiden wollten, hätte auf so eine Verletzung ganz anders reagiert. Wissenschafter des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) untersuchten, wie Pflanzenzellen Wunden heilen. In ihren Ergebnissen, die am 15. Juni in PNAS veröffentlicht wurden, stellten die Forscher fest, dass das Hormon Auxin und Druckveränderungen für die Regeneration entscheidend sind.

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Die Wissenschafter verwendeten Live-Mikroskopie, um die Ackerschmalwand-Wurzel während der Heilung zu verfolgen. Eine Veränderung der Auxinmenge führte manchmal (wie hier) zu einer tumorösen Schwellung der Wurzel. © Lukas Hoermayer / IST Austria

Alle lebenden Organismen erleiden Verletzungen. Tiere und Menschen haben bewegliche Zellen, die Wunden finden, sich ihnen nähern und sie heilen können. Pflanzenzellen sind jedoch unbeweglich und können den Schaden nicht einfach mit speziellen Zellen auffüllen. Stattdessen beginnen die benachbarten Zellen schnell zu wachsen oder sich zu vermehren um die Verletzung zu verschließen. Dabei entscheidet jede einzelne Zelle, ob sie sich ausdehnen oder teilen muss, um die Wunde zu füllen. Obwohl Wissenschafter seit Mitte des 19. Jahrhunderts die Regeneration in Pflanzen untersuchen, blieben die „Gründe“ für diese Entscheidungen der Zellen unklar.

Nun entdeckten Wissenschafter in der Gruppe von Professor Jiří Friml vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), dass das Hormon Auxin und der Druck den Weg der Pflanze zur Regeneration lenken.

„Es ist unglaublich faszinierend, wie robust und flexibel die Regeneration in Pflanzen ist, wenn man bedenkt, wie statisch uns diese Organismen erscheinen“, sagt Lukas Hoermayer, ein führender Wissenschafter in dieser Studie.

Um die Wundheilung zu untersuchen, verwendeten die Wissenschafter einen Laser, mit dem sie die Wurzel einer Ackerschmalwand gezielt verletzen konnten. Anschließend verfolgten sie die Zellen während der Regeneration mit einem Mikroskop. Dabei entdeckten die Wissenschafter, dass das Wachstumshormon Auxin eine wichtige Rolle bei der Wundheilung spielt. Es baut sich in den Zellen auf, die die Wunde direkt berühren, und erleichtert die Reaktion der Pflanze auf Verletzungen.

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Um die Wundheilung zu untersuchen, verletzten die Wissenschafter eine Ackerschmalwand-Wurzel mit einem Laser. Dabei beobachteten sie extreme Druckveränderungen im Gewebe zum Zeitpunkt der Verletzung. © Lukas Hoermayer / IST Austria

Als die Wissenschafter die Auxinmenge künstlich veränderten, reagierten entweder keine oder zu vielen Zellen auf die Wunde. Dieser unkoordinierte Prozess führte manchmal sogar zu einer tumorösen Schwellung der Wurzel.

„Nur die Koordination vieler Zellen im gesamten Gewebe führt zu so einer präzisen und lokalisierten Wundreaktion“, erklärt Lukas Hoermayer.

Darüber hinaus registrierte das Team eine extreme Druckveränderung um die Wunde herum, ausgelöst durch die kollabierenden Zellen der Wunde. Als die Wissenschafter den allgemeinen Zelldruck reduzierten, verschwand diese Druckveränderung bei der Verwundung und die Wundheilung wurde geschwächt.

Indem sie die Pflanzenregeneration mikroskopisch beobachteten und sie mit chemischen Behandlungen modifizierten, identifizierten die Wissenschaftler Auxin-Konzentrations- und Druckänderungen als steuernde Prozesse. Ihre Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Wundheilung in der Pflanzenwurzel bei. Mit diesem Verständnis können Forscher in Zukunft besser das Überleben von Wurzeln in Sandböden oder in der Gegenwart von Pflanzenfressern untersuchen.

Publikation

Lukas Hoermayer, Juan Carlos Montesinos, Petra Marhava, Eva Benková, Saiko Yoshida, Jiří Friml. Wounding induced changes in cellular pressure and localized Auxin signaling spatially coordinate restorative divisions in roots. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.2003346117

Förderungsinformation

The research leading to these results has received funding from the European Research Council under the European Union’s Seventh Framework Program (FP7/2007-2013) / ERC grant agreement no. 742985 and from the Austrian Science Fund under stand-alone grant P29988.