Möchtest Du mehr über unsere Forschung zur Zellbiologie des pflanzlichen Wassertransports erfahren?

Pflanzen sind die höchstgewachsenen Organismen auf der Erde – eine Eigenschaft, die durch die wassertransportierenden Xylemgefäße in ihrem Gefäßsystem ermöglicht wird. Diese zellulären Strukturen waren eine entscheidende Entwicklung für die Entstehung des terrestrischen Lebens auf der Erde. Die Xylemgefäße sind in miteinander verbundenen röhrenförmigen Netzwerken angeordnet, um den Wassertransport zu den oberirdischen Pflanzenorganen zu ermöglichen und die Statur der Pflanze zu stützen. Während alle Pflanzenzellen von flexiblen Primärzellwänden umgeben sind, werden Xylemzellen durch eine zusätzliche, extrem steife Schicht einer Sekundärwand massiv verstärkt. Xylemwände, besser bekannt in Form von Biomasse oder Holz, sind eine wichtige globale Senke für atmosphärischen Kohlenstoff und enthalten das auf der Erde am häufigsten vorkommende Biopolymer: Zellulose. Unser Interesse gilt den hochgradig geordneten Mustern, in denen Xylemwände organisiert sind.

Mikrotubuli sind eine wichtige Komponente des pflanzlichen Zytoskeletts und essenziell für die Entwicklung komplexer Wandmuster in Xylemzellen. In Pflanzenzellen sind Mikrotubuli eng mit der Plasmamembran assoziiert und bilden ein Netzwerk aus "Straßen", entlang derer Zellulose-Synthase-Komplexe, die Enzyme, die Zellulose produzieren, wandern. Mikrotubuli bilden somit eine Vorlage für die anschließende Ablagerung von Zellulose und anderem Zellwandmaterial. Die meisten Untersuchungen zur Rolle der Mikrotubuli bei der Zellwandablagerung haben sich jedoch auf Primärwände konzentriert, obwohl hier weder gemusterte Mikrotubuli-Arrays noch gemusterte Zellwände auftreten. Für Sekundärwände ist unbekannt, wie die Musterbildung des Mikrotubuli-Netzwerks erreicht wird und ob dabei Mikrotubuli-assoziierte Proteine beteiligt sind. Wir nutzen neuartige in-planta-, in-vitro- und in-silico-Methoden, um die Proteine aufzuklären, die der Musterbildung des Mikrotubuli-Netzwerks zugrunde liegen.

Bis vor Kurzem war es schwierig, die Entwicklung von Xylemzellen mittels hochauflösender Mikroskopie direkt zu beobachten. Der Grund dafür ist, dass sich Xylemzellen tief im Inneren eines Keimlings entwickeln, verborgen unter mehreren Zellschichten. Um dieses Hindernis zu überwinden, nutzen wir ein neuartiges genetisches Werkzeug, mit dem sich die Bildung neuer Xylemzellen an der Oberfläche eines Keimlings induzieren lässt, wo wir sie mit dem Mikroskop besser untersuchen können. Wir verwenden Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), ein unscheinbares Unkraut und Modellpflanze für die Grundlagenforschung, und haben sie so modifiziert, dass wir einen Hauptregulator der Xylementwicklung gezielt durch Zugabe einer Chemikalie aktivieren können. Mit dieser Methode ist es erstmals möglich, Xylemzellen bei ihrer Entwicklung zu beobachten.