Schnelle Signale in der Pflanzenzelle als Reaktion auf Schwerelosigkeit



Pflanzen sind zahlreichen Stressfaktoren ausgesetzt (etwa Temperatur- oder Wassermangel, Freßfeinden), können aber nicht "davon laufen". Sie haben daher ein umfangreiches Frühwarn- und Abwehrsystem entwickelt. Dies gilt auch für die Wahrnehmung von Änderungen der Schwerkraft. Die Exponierung ganzer Pflanzen ist wesentlich aufwendiger als die einzelner Pflanzenzellen.

Ähnlich der Vermehrung von Pflanzen über Stecklinge lassen sich beispielsweise aus Sprossstücken Pflanzenzellen gewinnen und vermehren, die das gesamte Reaktionsspektrum auf Umweltreize besitzen und nahezu unbegrenzt hergestellt werden können (Suspensionskultur). Durch Zugabe geeigneter Mittel lassen sich aus solchen Zellkulturen wieder vollständige Pflanzen heranziehen.

Mittels Zellkulturen der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), wollen die Wissenschaftler herausfinden, über welche Signalketten Pflanzenzellen die Verringerung der Schwerkraft in spezifische Reaktionen umgesetzen. Innerhalb der etwa 20 Sekunden langen Phase der Schwerelosigkeit können die Experimentatoren gezielt nach sogenannten Primärreaktionen suchen. Diese sehr schnellen molekularen Veränderungen stehen am Anfang von Signalketten. Wichtige Botensubstanzen sind dabei Kalziumionen und Wasserstoffperoxid-Moleküle. Es ist bekannt, dass Pflanzen die meisten Umweltsignale in eine Änderung der Kalziumionen-Menge in ihren Zellen übersetzen. Eine Echtzeitmessung der zellulären Konzentration dieser Ionen soll daher zeigen, ob durch Schwerkraft verursachter Stress zu einer definierten Änderung führt.

Wasserstoffperoxid hat vielfältige Funktionen. Wird die Pflanze durch Freßfeinde (wie Bakterien, Pilze und Insekten) befallen, bildet sie zum Beispiel an ihrer äußeren Oberfläche sofort hohe Konzentrationen dieser Verbindung, die den Eindringling abtöten sollen. In geringeren Konzentrationen steuert diese Verbindung allerdings auch die Genexpression der Pflanze und kann so längerfristige Abwehrreaktionen auslösen.

Die verwendeten Zellkulturen verfügen über Nachweis-Systeme für diese beiden Verbindungen. Eine Erhöhung der Konzentration der Signalmoleküle bringt die Zellen zum Leuchten. Dadurch kann die Reaktion unmittelbar beobachtet werden, und zwar während des gesamten Flugs. Es sind somitnicht nur Aussagen zu Reaktionen auf Schwerelosigkeit, sondern auch auf Phasen erhöhter Schwerkraft möglich, die vor und nach einer Parabel auftreten (1.8 g).


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Prof. Rüdiger Hampp
Universität Tübingen

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