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Erde|Umwelt

„Pollen-Penisse“ im Visier

Fehlen bestimmte Genfunktionen, bildet sich ein deformierter Pollenschlauch (unten) aus. (Bild: Universität Kopenhagen)

Es ist die verhältnismäßig größte Erektion in der Natur: Forscher haben neue Einblicke in die Funktion des Sexualorgans von Pollenkörnern gewonnen. Demnach sind Protonenpumpen am Werk, wenn sich der penisartige Pollenschlauch auf dem Weg zur Eizelle auf enorme Längen ausdehnt. Den Forschern zufolge könnten die Ergebnisse nicht nur für die Botanik interessant sein: Möglicherweise liefern sie auch Ansatzpunkte für die Erforschung des Wachstums menschlicher Nervenzellen.

Es ist ein Grundprinzip der sexuellen Fortpflanzung bei den Lebewesen: Die Spermienzellen müssen zur Eizelle gelangen, damit eine Befruchtung stattfinden kann. Bei vielen Tierarten sorgt bekanntlich der Penis der männlichen Individuen dafür, dass die Samenzellen möglichst nahe an die Eizellen im Körper der Weibchen gelangen. Bei den Pflanzen sind zwar die Rahmenbedingungen anders, aber es gibt Parallelen zu diesem tierischen Konzept: Wenn ein männliches Pollenkorn – übertragen durch Wind oder Insekten – den weiblichen Teil einer Blüte erreicht, bildet es einen spermienzellhaltigen Auswuchs. Biochemischen Signalen folgend penetriert das Gebilde anschließend das Gewebe auf der Suche nach den Eizellen. Der Pollenschlauch kann dabei eine Länge erreichen, die dem Tausendfachen der Größe des Pollenkorns entspricht.

Der Erforschung der noch immer unklaren Mechanismen bei diesem erstaunlichen Prozess widmen sich die Forscher um Michael Palmgren von der Universität von Kopenhagen. Bekannt ist, dass der Schlauch wächst, indem er seine Spitze kontinuierlich ausdehnt, ein Prozess, der als „Spitzenwachstum“ bezeichnet wird. „Dabei werden kontinuierlich zusätzliche Strukturen im Zellskelett aufgebaut, wie bei einem wachsenden Gerüst“, sagt Palmgren. Bei dem Pollenschlauch handelt es sich letztlich um eine stark polarisierte Zelle, bei der sich das Plasma stark an der Spitze ansammelt, erklären die Wissenschaftler.

Was das Spitzenwachstum ermöglicht

Wie Palmgren und seine Kollegen berichten, spielt ein Gradient des pH-Werts bei dieser Polarität der Zelle und somit für das Spitzenwachstum eine wichtige Rolle. Als mögliche Treiber der Beeinflussung des Säure-Basen-Gleichgewichts kommen sogenannte Protonenpumpen infrage. Dabei handelt es sich um Protein-Einheiten, die geladene Teilchen gegen einen elektrochemischen Gradienten über eine Membran transportieren können. Im Pollenschlauch könnten sie somit den pH-Wert im Zellplasma beeinflussen, erklären die Wissenschaftler. Um diese Vermutung zu überprüfen, haben sie die Aktivität und die Wirkung von Genen untersucht, die für die Aktivität von Protonenpumpen zuständig sind – sogenannte AHA-Gene.

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Als Modell diente den Wissenschaftlern das berühmte „Versuchskaninchen“ der Pflanzenforschung: die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Durch genetische Nachweiserfahren konnten sie zunächst zeigen, dass drei bestimmte AHA-Gene tatsächlich beim Wachstum des Pollenschlauchs von Arabidopsis angeschaltet werden. Um anschließend zu klären, welche Bedeutung diese Erbanlagen und damit die Protonenpumpen bei der Ausbildung der Struktur haben, blockierten die Wissenschaftler diese Gene: Sie erzeugten Pflanzenlinien, deren Pollenkörner keine funktionsfähigen Versionen der drei AHA-Gene mehr besitzen.

Pollen-Mutanten mit Erektionsstörungen

Die Untersuchungen dieser AHA-Knockout-Pollen zeigten: Ohne funktionstüchtige Protonenpumpen-Gene kommt es gleichsam zu Erektionsstörungen. „Der Pollenschlauch bildet sich nur stark verzögert aus und zeigt Deformationen“, sagt Palmgren. Analysen zeigten zudem, dass die Ausbildung des Säure-Basen-Gleichgewichts und der Polarität in dem Gebilde gestört ist. Die Forscher haben somit einen wichtigen Aspekt aufgeklärt, der die Pflanzenfruchtbarkeit beeinflusst. „Unsere Ergebnisse definieren die untersuchten AHAs als Elemente, die den Ionenkreislauf aufrechterhalten, der den pH-Wert im Zellplasma definiert, und dadurch die nachgeschalteten pH-abhängigen Mechanismen steuern, die für die Pollenschlauchverlängerung wichtig sind“, resümieren Palmgren und seine Kollegen.

Es handelt sich somit um einen interessanten Beitrag zur „grünen Grundlagenforschung“. Doch wie die Forscher abschließend betonen, könnte die Bedeutung sogar über das Reich der Pflanzen hinausgehen: Die neurologische Forschung könnte vom Wissen über das Spitzenwachstum bei Pollenschläuchen profitieren, denn möglicherweise gibt es Parallelen. „Es ist nur sehr wenig darüber bekannt, was das Nervenwachstum steuert – was für die Heilung von Nerven- oder Hirnschäden von enormer Bedeutung ist. Um den Prozess des ‚Spitzenwachstums‘ beim menschliche Nervensystem besser zu verstehen, könnten sich unser Ergebnis vielleicht als nützlich erweisen“, meint Palmgren.

Quelle: Universität Kopenhagen, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-020-16253-1

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