Regulation des Sekundären Dickenwachstums in Arabidopsis

Für das Wachstum der Pflanzen ist die Funktion des Leitgewebes unerlässlich. Dieses übernimmt eine entscheidende Rolle im Langstreckentransport und in der Vermittlung von mechanischer Stabilität für den sich entwickelnden Pflanzenkörper. Aus diesem Grund ist das sekundäre Dickenwachstum der Sprossachsen durch die Bildung von zusätzlichem Leitgewebe entscheidend für die Etablierung von ausgedehnten Sprosssystemen. Die Bildung von sekundärem Leitgewebe (Holz und Bast) beruht auf der Aktivität eines embryonalen (meristematischen) Gewebes, dem Kambium, welches im äußeren Bereich des Sprosses lokalisiert ist und Zellteilungsaktivität besitzt. Mit Blick auf seine Funktion als Stammzellnische und auf seine post-embryonale Etablierung aus teilweise differenzierten Zellen, stellt das Kambium ein ideales Objekt dar, Fragen zur Regulation von Zellidentität und meristematischer Aktivität innerhalb höherer Organismen zu untersuchen. Im Gegensatz zur Regulation von apikalen Meristemen und trotz seiner essentiellen Bedeutung für wesentliche Aspekte des Pflanzenwachstum und der Produktion von Biomasse, ist jedoch unser Verständnis der molekularen Regulation der Kambiumaktivität sehr lückenhaft. Aus diesem Grund möchten wir in diesem Projekt molekulare Mechanismen identifizieren, die wesentlich für die Initiierung des sekundären Dickenwachstums sind. Aufgrund der außergewöhnlichen molekularen und genetischen Möglichkeiten stellt Arabidopsis thaliana ein effizientes Modellsystem für die Untersuchung dieses Prozesses dar. Durch histologische Analysen von Auxinwirkung und -transport, der Erstellung von gewebespezifischen Genexpressionsprofilen und der Identifizierung von Mutanten, die einen Defekt in der Kambiumaktivität aufweisen, werden entscheidende molekulare Mechanismen identifiziert werden. Darüber hinaus werden innerhalb einer Zusammenarbeit mit weiteren Arbeitsgruppen erbrachte Ergebnisse auf die Pappel übertragen, die Baumart die als Modell für die Untersuchung der Kambiumaktivität bei holzigen Pflanzen dient. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich aufgrund der dieser Strategie das Projekt zum einen mit fundamentalen Fragen innerhalb der Entwicklungsbiologie befassen wird, insbesondere der Frage nach der Etablierung von Zellidentität und meristematischer Aktivität. Zum anderen lassen sich durch die gewonnenen Erkenntnisse phylogenetische Zusammenhänge eines wichtigen Entwicklungsprozesses der Pflanzen aufdecken. Darüber hinaus wird das Projekt entscheidend zu unserem Verständnis der molekularen Regulation der Holzbildung beitragen, einer der wichtigsten Prozesse, die zur Generierung von erneuerbaren Energiequellen und Werkstoffen auf unserm Planeten beitragen.

Im Gegensatz zu tierischen Organismen bilden Pflanzen während ihres gesamten Lebenszyklus neue Organe und Gewebe und etablieren dadurch einige der größten und langlebigsten Organismen auf dieser Erde. Die bemerkenswerte Fähigkeit ständig zu wachsen hängt von Stammzell-artigen Geweben, den Meristemen, ab, die sich an Spross- und Wurzelspitzen und, in vielen Arten, lateral an den Flanken der Wachstumsachen befinden. Im Vergleich zu Meristemen der Spross- und Wurzelspitzen, ist unser Wissen über molekulare Mechanismen, die die Funktion der lateralen Meristeme regulieren, wie zum Beispiel des Kambiums, sehr eingeschränkt. Dies ist umso erstaunlicher als dass Kambium-basiertes Dickenwachstum für die Holzbildung und die Akkumulierung eines großen Anteils der Biomasse auf unserem Planeten verantwortlich ist und damit indirekt zu einer Reduktion des atmosphärischen CO 2 beiträgt. Innerhalb dieses Projektes wurde ein in vitro-System etabliert, in dem Kambium unter kontrollierten Bedingungen in Stängeln der Modellpflanze Arabidopsis thaliana induziert werden kann. Mit Hilfe dieses Systems wurden, genomweit und gewebespezifisch, Veränderungen der Transkriptakkumulierungen während der Kambiuminduzierung charakterisiert. Basierend auf den ermittelten Daten konnten zwei neuartige Rezeptor- Kinasen, namens MOL1 und RUL1, als entgegengesetzte Regulatoren der Kambiumaktivität identifiziert werden. Darüber hinaus wurde innerhalb des Projektes eine Serie von Mutanten isoliert, die eine ektopische Kambiumformierung in Stängeln von Arabidopsis thaliana zeigen und die insofern eine neuartige Gruppe von Mutanten darstellen. Insbesondere ist eine Mutante interessant, die eine zufällige und punktuelle Initiierung von Kambiumaktivität entlang des Stängels zeigt und daher den Namen cambium island1 (cbi1) erhalten hat. Der spezielle Defekt in der cbi1 Mutante spricht dafür, dass das noch zu identifizierende CBI1 Gen einen neuartigen Repressor der Kambiuminitiierung darstellt. Es wird erwartet, dass die Analyse der molekularen Rolle des CBI1 Gens darüber Auskunft gibt, wie Kambiuminitiierung in der Pflanze reguliert wird und damit einen weiteren Ansatzpunkt liefert, pflanzliches Dickenwachstum zu untersuchen. Zusammenfassend eröffnen diese Ergebnisse neue Ansätze zur Untersuchung von lateralen Meristemen und zeigen, dass die hier entwickelten Systeme wertvolle Werkzeuge zur Analyse der Kambiumregulation darstellen. Insbesondere liefern die erbrachten Ergebnisse neue Ansatzpunkte, um die Holzbildung in Bäumen zu untersuchen - das heißt in Organismen, die üblicherweise kaum zugänglich für weitreichende genetische Analysen sind.