Besondere Gewebe für besondere Zellen

Zellen, aus denen jede beliebige Struktur entstehen kann, sind jedoch nicht nur geeignet, das Entwicklungsprogramm eines Individuums anzutreiben. Sie drohen auch zu einer erheblichen Gefahr für den Organismus zu werden, weil sie nicht nur gewünschte Zelltypen, sondern auch entartete Zellen hervorbringen können. Im Laufe der Evolution vielzelliger Pflanzen – sie traten zum ersten Mal vor rund einer Milliarde Jahren auf – haben sich in der Natur daher Mechanismen ausgeprägt, die es modernen Pflanzen ermöglichen, pluripotente Stammzellen über den gesamten Lebenszyklus hinweg nicht nur zu erhalten, sondern auch zu kontrollieren.

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Eine Versicherung gegen Zellentartung

Zu diesen Kontrollmechanismen gehört, dass Stammzellen in spezialisierte Gewebe, die sogenannten Meristeme, eingebettet sind. Meristeme finden sich an den Wachstumsspitzen von Wurzel und Spross und beinhalten jeweils eine kleine Gruppe von etwa 30 bis 50 Stammzellen. Diese regionale Konzentration ist eine wichtige Versicherung gegen Zellentartung: Die Stammzellen sitzen gleichsam fest, weil Pflanzenzellen im Unterschied zu tierischen Zellen von einer kräftigen Zellwand umgeben sind und sich daher nicht wie tierische Zellen im Organismus bewegen können. Es kann also selbst bei unerwünschter Vermehrung von Stammzellen in Pflanzen nicht zum Ausbreiten entarteter Zellen im gesamten Individuum kommen, wie es etwa geschieht, wenn Tumoren im menschlichen Organismus Metastasen bilden.

Qualitätssicherung als Herausforderung

Für den „Normalbetrieb“ bedeutet das Einbetten der unbeweglichen Stammzellen in Meristeme jedoch auch eine große Herausforderung: Denn wegen ihrer starren Zellwände können Pflanzenzellen nur passiv und im Zellverbund in neue Organe eingebaut werden. Dies setzt wiederum eine enge Kommunikation und Koordination der betroffenen Zellen voraus. Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass die Anzahl der Zellen, die im Stammzellzentrum produziert werden, mit dem Bedarf an neuen Zellen, also mit dem Wachstumsstand der Gesamtpflanze, korrespondiert.

Eine weitere fundamentale Herausforderung ist die Sicherung der Qualität: Mit jeder Zellteilung wächst das Risiko, dass sich während der dazu erforderlichen Erbgut-Verdoppelung Fehler einschleichen, die für den Organismus katastrophale Folgen haben können, zum Beispiel dann, wenn ein für die Zellteilung unverzichtbares Gen beschädigt wird.

Blick in das pflanzliche Stammzellzentrum

Wie also ist ein Meristem, ein pflanzliches Stammzellzentrum, angelegt, um all diesen Herausforderungen begegnen zu können? Das Zauberwort heißt Arbeitsteilung. Am Beispiel des Sprossmeristems – desjenigen Stammzellzentrums, das alle überirdischen Teile der Pflanze hervorbringt – lässt sich dies gut erkennen.

Schaut man sich den Bau pflanzlicher Stammzellzentren genauer an, sind Zonen mit Zellen unterschiedlicher Funktion zu erkennen: Es gibt Zellen, die sich schnell teilen, andere teilen sich nur sehr selten, und wieder andere teilen sich so gut wie gar nicht, senden aber Signale aus, die das Verhalten der Stammzellen entscheidend beeinflussen. Diese räumliche und funktionelle Trennung ist eine Maßnahme zur Qualitätssicherung. © Jan Lohmann

Das halbkugelförmige Sprossmeristem hat vier Domänen mit spezifischen Funktionen. Im Zentrum liegen die sich langsam teilenden Stammzellen. Sie sind von noch undifferenzierten Vorläuferzellen umgeben. Die Vorläuferzellen teilen sich sehr viel schneller und sorgen für Materialnachschub, damit in der weiter außen liegenden Differenzierungszone neue Organe entstehen und Zellen ihrer Bestimmung zugeführt werden können. Es gibt noch eine vierte Zone: Sie liegt unter den Stammzellen in den tieferen Zellschichten des Meristems. Die hier angesiedelten Zellen teilen sich kaum. Aber sie senden Signale aus, die das Verhalten der Stammzellen maßgeblich beeinflussen. Sie wirken also wie eine Steuerzentrale.

Zellen steuern Stammzellverhalten

Der Nutzen, Zellfunktionen derart zu trennen, liegt auf der Hand: Das Erbgut in den sich nur selten teilenden Stammzellen ist weniger Gefahren ausgesetzt als das in den sich schneller teilenden Vorläuferzellen. Die Vorläuferzellen wiederum versorgen nur einen kleinen, räumlich begrenzten Teil der Pflanze mit Baumaterial – ein bei ihnen eventuell auftretender Erbgutschaden fiele also nicht so stark ins Gewicht.

Die Steuerung des Stammzellverhaltens durch benachbarte Zellen verleiht dem System zusätzliche Stabilität und Robustheit gegen äußere Einflüsse. Und nicht zuletzt stellt die räumliche Trennung von Zellvermehrung und -differenzierung sicher, dass diese beiden entgegenlaufenden Prozesse ungestört ablaufen können und sich nicht negativ beeinflussen: Differenzierung der Stammzellen würde zum sofortigen Wachstumsstillstand der Pflanze führen, während unkontrollierte Zellvermehrung die Ausbildung jeglicher funktioneller Organe verhindern würde.

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Eine ähnliche räumlich-funktionelle Trennung findet sich übrigens auch in Stammzellsystemen von Tieren und Menschen, obwohl Stammzellen in Tieren und Pflanzen während der Evolution unabhängig voneinander entstanden und nicht direkt miteinander verwandt sind. Dies zeigt, dass sich das Prinzip der Arbeitsteilung unter Zellen in der Natur während der Jahrmillionen bewährt hat. Dass die Stammzellsysteme von Pflanzen und Tieren unabhängig voneinander entstanden sind, spiegelt sich auch in divergenten Steuerungsmechanismen wider: In den letzten fünf Jahren konnte eine Reihe von unverzichtbaren Steuerungsgenen für embryonale Stammzellen in Tieren identifiziert werden, die in Pflanzen nicht vorhanden sind.

Jan Lohmann / Forschungsmagazin „Ruperto Carola“ der Universität Heidelberg
Stand: 01.12.2011