Around 80 to 85 percent of our calorie needs is covered through seeds, either directly as food or indirectly through use as feed. Seeds are the result of plant reproduction. During the flowering period, the male and female tissues interact with each other in a number of ways. When pollen lands on the flower’s stigma, it germinates and forms a pollen tube, which then quickly grows towards the plant’s ovary. Once it finds an ovule, the pollen tube bursts to release sperm cells, which fertilize the ovule and initiate seed formation.
Pollen tube interacts with female plant tissue
Led by Ueli Grossniklaus, professor at the Department of Plant and Microbial Biology at the University of Zurich, an international research team has now demonstrated how the pollen tube interacts with, and responds to, female plant tissue. The pollen tube does so by secreting extracellular signals (RALF peptides) which it uses to explore its cellular environment and regulate its growth. Two receptors on the cell’s surface enable it to perceive the secreted signals and transmit them to the inside of the cell.
Intracellular signals regulate growth
Working together with the teams of Christoph Ringli from UZH and Jorge Muschietti from the University of Buenos Aires, the team around Grossniklaus was able to determine that further proteins had to be active for the pollen tube to recognize the signals – LRX proteins. These proteins were identified at UZH 15 years ago by Beat Keller and his research group, but their function had previously not been clear. LRX proteins are localized in the cell wall surrounding plant cells, where the signals can dock. “We suspect that the pollen tube explores changes in the cell wall by sending out signals and responding accordingly, for example by realigning its growth,” says Ueli Grossniklaus. It is rare for plants to produce and perceive signals with the same cells. The researchers suspect that this allows the pollen tube, which grows extremely quickly, to faster respond to changes in its environment rather than being dependent on signals from other neighboring cells.
Molecular insights open up wide range of potential applications
The signaling pathways described by the researchers are involved in many other basic processes, and knowledge of how they work opens up numerous possible applications for plant breeding. “By better understanding how these proteins work, we can not only influence pollination and seed formation, but also the development and growth of plants or their defense against pests,” concludes Ueli Grossniklaus.
Literature:
Martin A. Mecchia, Gorka Santos-Fernandez, Nadine N. Duss, Sofía C. Somoza, Aurélien Boisson-Dernier, Valeria Gagliardini, Andrea Martínez-Bernardini, Tohnyui Ndinyanka Fabrice, Christoph Ringli, Jorge P. Muschietti, Ueli Grossniklaus. RALF4/19 peptides interact with LRX proteins to control pollen tube growth in Arabidopsis. December 14, 2017. Science. DOI: 10.1126/science.aao5467
Wie Pflanzen ihre Samen bilden
Ob Früchte oder Körner – der Grossteil unserer Nahrung resultiert aus der Fortpflanzung bei Pflanzen. Wie diese Befruchtung und Samenbildung steuern, haben UZH-Forschende nun entschlüsselt. Das Wissen um diese Signalwege lässt sich nutzen, um neben der Samenbildung auch das Pflanzenwachstum oder die Schädlingsabwehr zu beeinflussen.
Samen decken – entweder als Nahrung oder indirekt als Futtermittel – ungefähr 80 bis 85 Prozent des menschlichen Kalorienbedarfs. Sie sind das Ergebnis der pflanzlichen Fortpflanzung. In der Blüte interagieren die männlichen und weiblichen Gewebe auf vielfältige Weise miteinander. Lagert sich Pollen auf der Blütennarbe ab, keimt er aus und bildet einen Pollenschlauch. Dieser wächst rasch in Richtung des Fruchtknotens. Sobald er eine weibliche Samenanlage findet, platzt er und setzt zwei Spermien frei. Diese befruchten die Samenanlage und leiten die Samenbildung ein.
Pollenschlauch kommuniziert mit weiblichem Pflanzengewebe
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Ueli Grossniklaus, Professor am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich, zeigt nun, wie der Pollenschlauch mit den weiblichen Pflanzengeweben kommuniziert und darauf reagiert. Dazu sondert der Pollenschlauch Signalstoffe (RALF-Peptide) aus, mit denen er seine zelluläre Umgebung erkundet und sein Wachstum steuert. Zwei Rezeptoren auf der Zelloberfläche erlauben es dem Pollenschlauch, seine ausgesandten Signalstoffe wahrzunehmen und die Signale ins Zellinnere weiterzuleiten.
Zelleigene Signalstoffe steuern das Wachstum
In Zusammenarbeit mit den Gruppen von Christoph Ringli von der UZH und Jorge Muschietti von der Universität von Buenos Aires konnte Grossniklaus Team zeigen, dass weitere Eiweisse aktiv sein müssen, damit der Pollenschlauch die Signalstoffe erkennen kann: die LRX-Proteine. Diese wurden bereits vor 15 Jahren von der Gruppe von Beat Keller an der UZH identifiziert, doch ihre Funktion war bisher unklar. Die LRX-Proteine sitzen ausserhalb der Zelle in der Zellwand, wo die Signalstoffe andocken können. «Damit nimmt der Pollenschlauch vermutlich Änderungen in der Zellwand wahr und reagiert entsprechend, in dem er etwa sein Wachstum neu ausrichtet», sagt Ueli Grossniklaus. Dass dieselbe Zelle, die Signalstoffe produziert, diese auch wahrnimmt, kommt in Pflanzen nur selten vor. Die Wissenschaftler vermuten, dass der schnell wachsende Pollenschlauch so rascher auf Veränderungen in der Umgebung reagieren kann, als wenn er auf Signale von anderen, benachbarten Zellen angewiesen ist.
Molekulare Einblicke eröffnen breites Anwendungspotenzial
Da die im Pollenschlauch aufgeschlüsselten Signalwege auch an vielen anderen grundlegenden Prozessen beteiligt sind, eröffnet das Wissen über ihre Funktionsweise zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für die Pflanzenzucht. «Wenn wir besser verstehen, wie diese Proteine funktionieren, lassen sich nicht nur Befruchtung und Samenbildung, sondern auch Entwicklung und Wachstum von Pflanzen oder die Abwehr von Krankheitserregern beeinflussen», resümiert Ueli Grossniklaus.
Literatur:
Martin A. Mecchia, Gorka Santos-Fernandez, Nadine N. Duss, Sofía C. Somoza, Aurélien Boisson-Dernier, Valeria Gagliardini, Andrea Martínez-Bernardini, Tohnyui Ndinyanka Fabrice, Christoph Ringli, Jorge P. Muschietti, Ueli Grossniklaus. RALF4/19 peptides interact with LRX proteins to control pollen tube growth in Arabidopsis. December 14, 2017. Science. DOI: 10.1126/science.aao5467
Topics
Species
