Samenentwicklung und Apomixis

1. August 2021

Die Gruppe von Dr. Duarte Figueiredo untersucht die Entwicklung von Samen bei Blütenpflanzen, auch Angiospermen genannt. Ihr Schwerpunkt liegt auf dem Endosperm, dem Gewebe, das den Embryo im Samen ernährt, ähnlich wie die Plazenta bei Säugetieren. Das Team ist besonders daran interessiert zu verstehen, wie bestimmte Pflanzenarten, so genannte Apomikten, ein Endosperm entwickeln können, ohne dass eine Befruchtung durch Pollen erforderlich ist.

Ein Samen beginnt sich zu entwickeln, nachdem die mütterliche Eizelle durch Samenzellen befruchtet wurde, die von den väterlichen Pollenkörnern getragen werden. Diese Befruchtung führt zur Bildung eines Embryos, der zu einer neuen Pflanze heranwächst. Es entsteht aber auch ein Gewebe, das so genannte Endosperm, dessen Aufgabe es ist, den Embryo mit Nährstoffen zu versorgen. Diese beiden Strukturen, der Embryo und das Endosperm, sind von einem mütterlichen Gewebe, der Samenschale, umgeben und geschützt. Das Endosperm der Blütenpflanzen ist für unsere Zivilisation von immenser sozioökonomischer Bedeutung: Es ist die wichtigste Kalorienquelle in unserer Ernährung - entweder direkt, wie bei Reis und Maiskörnern, oder nach der Verarbeitung, zum Beispiel in Form von Brot (und Bier!).


Eizelle der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), abgebildet durch konfokale Mikroskopie mit Hilfe eines Auxin-Biosensors.

Bei den meisten Pflanzenarten beginnt die Entwicklung des Endosperms erst nach der Befruchtung durch den Pollen. Das bedeutet, dass der Vater bestimmte Faktoren beisteuert, die für die Bildung des Endosperms notwendig sind. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass einer dieser Faktoren das Pflanzenhormon Auxin ist. Denn Gene, die für die Auxinproduktion notwendig sind, sind nur väterlicherseits aktiv und werden mütterlicherseits zum Schweigen gebracht. Wenn eine Eizelle befruchtet wird, führt dies zur Produktion von Auxin, das die Endospermienentwicklung auslöst. Wir wissen jedoch, dass für die Bildung eines lebensfähigen Endosperms noch andere Faktoren erforderlich sind. Derzeit arbeiten wir daran, diese zu ermitteln.

Allerdings gibt auch einige Pflanzenarten, die Samen produzieren können, ohne dass eine Befruchtung durch den Pollen erforderlich ist. Diese Pflanzen werden Apomiken genannt, und dieses Phänomen ist als Apomixis bekannt. Das bedeutet, dass apomiktische Pflanzen ein Endosperm produzieren können, das die oben genannten "väterlichen Faktoren" nicht benötigt. Außerdem ist die Apomixis für die Landwirtschaft von großem Interesse. So wird beispielsweise der Ertrag von Saatgutpflanzen stark beeinträchtigt, wenn Bestäuber fehlen oder die Umweltbedingungen die Pollenproduktion beeinträchtigen, was bei Hitzewellen häufig der Fall ist. Ohne Pollen gibt es keine Samen. Für Pflanzen, die zur Apomixis fähig sind, stellt dies jedoch kein Problem mehr dar, da sie auch ohne Pollen Samen produzieren können. Das Problem ist, dass die Apomixis in keiner der großen landwirtschaftlichen Kulturen vorkommt und ihre Einführung eine große Herausforderung darstellt. Eines unserer Ziele ist es daher, unser Wissen über die für die Endospermentwicklung erforderlichen Faktoren auf Nutzpflanzen anzuwenden, um das Versprechen der Apomixis der Realität näher zu bringen.

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