Das Leben ist nicht immer einfach.
Es gibt zwei Arten, darauf zu reagieren: weglaufen oder sich
anpassen. Etwas überspitzt formuliert lässt sich sagen: Tiere
laufen davon, Pflanzen passen sich an. Dabei stellen sie nicht nur
ihren Stoffwechsel auf die Umwelt ein, sondern ändern auch Gestalt
und Entwicklung, um so ihr Überleben zu sichern. Viele Pflanzen
"messen" beispielsweise die Tagelänge und entscheiden dann, ob sie
blühen oder nicht. Damit erreichen sie, dass die Samen rechtzeitig
vor Einbruch des Winters gebildet werden und so das Überleben der
Nachkommen gesichert ist. Als Folge dieser Überlebensstrategie
haben Pflanzenzellen eine fast unglaubliche Regenerationsfähigkeit
entwickelt. Im Grunde kann jede Pflanzenzelle den ganzen
Organismus neu hervorbringen, also etwas tun, was bei Tieren nur
die Eizelle kann - die Pflanze besteht also eigentlich aus
Stammzellen. Jede Zelle ist daher im Grunde gleichberechtigt. Wie
kann nun aus gleichberechtigten Elemente, die weitgehend autonom
sind, sich ein geordnetes Ganzes zusammenfügen und dies alles ohne
einen "Big Boss", der alles steuert?
Das wollen wir verstehen und daher
arbeiten wir vor allem an zwei Fragen:
1. Wie nehmen Pflanzen ihre Umwelt
wahr und wie entscheiden sie, welchen Entwicklungsweg sie
einschlagen müssen?
2. Wie führt diese Entscheidung zu
einer Veränderung der Gestalt und wie wird dabei das Wachstum
räumlich gesteuert?
Aus diesen zwei Fragen sind unsere
wichtigsten Themenfelder entstanden:
Zellskelett:
Es besteht vor
allem aus den beiden Proteinbausteinen Tubulin und Actin. Diese
Bausteine werden zu fädigen Polymeren, den Mikrotubuli und den
Actinfilamenten, zusammengebaut, die für Wachstum und Teilung der
Zelle, aber auch als Leitschienen für innerzelluläre Bewegungen
wichtig sind. Die Organisation von Mikrotubuli und Actinfilamenten
wird abhängig von vielen äußeren Signalen (Licht, Schwerkraft,
Berührung) aber auch abhängig von Entwicklungszustand und Hormonen
gesteuert und bestimmt die Gestalt der Pflanzenzelle. Seit einiger
Zeit wissen wir auch, dass das Zellskelett zusätzlich noch als
eine Art Sinnesorgan der Pflanzenzelle arbeitet.
Musterbildung:
Die Erfindung
der Vielzelligkeit war ein grosser Schritt in der Evolution; denn
Vielzelligkeit erlaubt Arbeitsteilung - unterschiedliche Zellen
können sich auf unterschiedliche Funktionen spezialisieren und das
ist von Vorteil für die ganze Gemeinschaft. Aber dies setzt
voraus, dass die Zuordnung der verschiedenen Funktionen
organisiert und gesteuert werden muss. Dies könnte über eine
Chefzentrale geschehen, die den anderen Zellen übergeordnet ist.
Pflanzen sind jedoch geradezu "urdemokratisch" gebaut. Jede Zelle
ist im Grunde gleichberechtigt. Das Spannende bei der pflanzlichen
Musterbildung ist nun, dass gleichberechtigte Elemente, die
weitgehend autonom sind, sich zu einem geordneten Ganzen
zusammenfügen und dies ohne einen "Big Boss", der alles steuert.
Dies setzt voraus, dass die Zellen miteinander reden und
bestimmen, wer welche Aufgabe übernimmt. Als "Sprache" benutzen
sie das Pflanzenhormon Auxin. Wir haben entdeckt, dass man diese
Erscheinung an Zellkulturen aus Tabak untersuchen kann. Diese
Zellen bilden durch gerichtete Zellteilung einen Faden aus, der
eine Art "Minimalorganismus" darstellt. Hier werden durch
Auxinwellen, die von der Spitze des Fadens ausgehen, die
Zellteilungen in einen einheitlichen Rhythmus gebracht - an diesem
Beispiel können wir nun untersuchen, wie Zellen kommunizieren und
über ihren Entwicklungsweg entscheiden.
Nano-Zellbiologie: Die
Nanowissenschaften haben neue Werkzeuge entstehen lassen, die auch
für unsere Fragen nützlich sind. In enger Zusammenarbeit mit
Chemikern, Physikern und Ingenieuren entwickeln wir diese
Werkzeuge so weiter, damit man sie in Pflanzenzellen anwenden
kann. Unser Ziel ist es, nicht nur zusehen zu können, wie Moleküle
und zelluläre Vorgänge in lebenden Zellen in Antwort auf Signale
verändern - nein, wir wollen den Tanz der Moleküle auch selbst
gezielt verändern um so das Verhalten der Zellen zu steuern.
Zellbiologie und
Evolution: Im Laufe der
Evolution entstand eine Vielzahl von Lebensformen, die sich an
unterschiedlichste Umweltbedingungen angepasst haben. Da alle
Lebewesen aus Zellen aufgebaut sind, sollte die Evolution auch
zellbiologische Spuren hinterlassen. Dies ist jedoch
wissenschaftlich erst in Ansätzen aufgegriffen worden.
Vergleichende Untersuchungen zur pflanzlichen Zellbiologie sollten
also unser Verständnis von Evolution voranbringen. Aber auch in
umgekehrter Richtung gibt es einen Zusammenhang. Die Zellbiologie
der Pflanzen unterscheidet sich in vielen Zügen grundlegend von
dem, was an tierischen Zellen zu beobachten ist. Dies lässt sich
eigentlich nur aus der Geschichte heraus verstehen - man braucht
also Evolution, um die Biologie pflanzlicher Zellen wirklich
verstehen zu können.
