Wissenschaftler identifizieren Gene, die Stammzellen in Pflanzen steuern

Forscher am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) in den USA haben zwei klassische Stammzellregulatoren in Tausenden von Zellen aus den Trieben von Mais e Arabidopsis sp. Die Studie enthüllte neue regulatorische Gene und verknüpfte einige von ihnen mit wichtigen agronomischen Merkmalen.

Bei der von Professor David Jackson geleiteten Arbeit kam eine Technik namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung zum Einsatz. Das Team analysierte Gewebe mit hohem Stammzellanteil, identifizierte die Expression Tausender Gene und erstellte einen genetischen „Atlas“, der auch anderen Forschern zugänglich ist.

Laut Jackson könnten die Daten den genetischen Fortschritt für ein Jahrzehnt vorantreiben und zur Entwicklung ertragreicherer und widerstandsfähigerer Nutzpflanzen beitragen.

Seltene Zellen isolieren

Pflanzenstammzellen befinden sich in sogenannten Meristemen. Dort steuern Gene wie CLAVATA3 (CLV3) und WUSCHEL (WUS) die Zellvermehrung. Das Verständnis der Funktionsweise dieser Gene ermöglicht es uns, das Wachstum und die Architektur von Pflanzen zu beeinflussen.

Bei früheren Analysen war es jedoch aufgrund der geringen Menge und Fragilität dieser Zellen schwierig, Zellen zu isolieren, die CLV3 und WUS exprimieren.

Jacksons Team überwand dieses Hindernis mit präziser Mikrodissektion und Mikrofluidik. Jede gesammelte Zelle wurde mit RNA in DNA umgewandelt, markiert und sequenziert. Die Gruppe konnte rund 5 Zellen mit CLV3-Expression und XNUMX Zellen mit WUS-Expression gewinnen.

Die Technik ermöglichte die Identifizierung von Hunderten von Genen, die bevorzugt in Maisstammzellen exprimiert werden und ArabidopsisViele von ihnen blieben nachweislich zwischen den Arten erhalten, was auf wichtige Funktionen während der gesamten Pflanzenevolution hindeutet.

Mit dem Ertrag assoziierte Gene

Unter den neu identifizierten Genen stechen Familien von RNA-bindenden Proteinen und Kinase-Genen hervor, die mit dem Zuckerstoffwechsel in Zusammenhang stehen, einige davon mit Funktionen in der hormonellen Homöostase. Diese Gene wirken den Autoren zufolge redundant, um die Meristementwicklung zu steuern.

Die Analyse natürlicher genetischer Varianten in verschiedenen Maislinien hat ergeben, dass einige dieser regulatorischen Gene mit produktiven Merkmalen wie der Anzahl der Kornreihen und der Kolbenlänge in Zusammenhang stehen. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für eine rationale Sortenentwicklung.

Unter den validierten Genen spielten SERBPs, ähnlich den beim Menschen vorkommenden Regulatoren, eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Pflanzentrieben. Etwa 70 % der zwischen Mais und Arabidopsis kodieren ribosomale Proteine, was darauf schließen lässt, dass die Spezialisierung der Ribosomen die Differenzierung pflanzlicher Stammzellen beeinflussen könnte.

Hormonelle Wege und Hypoxie

Das Team analysierte auch Mutanten mit übermäßiger Stammzellproliferation. Die Forscher fanden Unterschiede in der Expression von Genen, die mit hormonellen Regulationswegen in Verbindung stehen, wie beispielsweise ADK-Genen, die die Produktion von Cytokininen (Hormonen, die an der Bildung neuer Organe beteiligt sind) beeinflussen. Einige dieser Gene scheinen über einen alternativen Weg zum klassischen LOG-Weg zu wirken, was unser Verständnis der hormonellen Kontrolle bei Pflanzen erweitert.

Gene wie PFKB, die ebenfalls identifiziert wurden, haben bakterielle Homologe, die auf Hypoxie reagieren (ein Zustand, der die Pluripotenz in menschlichen Stammzellen reguliert). Die Entdeckung legt nahe, dass Umweltfaktoren wie Sauerstoffzufuhr das Stammzellverhalten in Pflanzen über noch unerforschte Mechanismen beeinflussen könnten.

Zukünftige Anwendungen

Die Studie lieferte ein Modell zur Identifizierung regulatorischer Gene in anderen Pflanzenarten. Die daraus resultierende Datenbank ist nun öffentlich zugänglich und kann genetische Verbesserungen in Bezug auf Produktivität, Architektur und Widerstandsfähigkeit vorantreiben.

Weitere Informationen unter doi.org/10.1016/j.devcel.2025.07.024