Plant Cell Biology 2023
Microtubules guide the directionality of plant cells, both for cell division and for cell expansion. Since the regulating proteins are evolutionarily diverse, they provide specific targets for a new generation of herbicides that have less collateral damage on other life forms. What is the mode of action of these new compounds? Using fluorescently tagged tobacco cell lines for tubulins and tubulin-organisers, the project explores the role of microtubule turnover for the effect of the new herbicide candidates. Since this requires quantitative data as to obtain important readouts, such as dose-response curves, cell proliferation needs to be determined. In the past, we have done this manually, by counting. This was laborious and time-consuming. However, we have now developed an alternative approach, where microscopical images are evaluated using Artificial Intelligence. This has allowed to reduce time by several orders of magnitude, such that analysis can be driven to a degree of precision that was not possible before. Scriptum with protocols . review about the functions of plant microtubules .
Mikrotubuli und Form
Wie wurden Mikrotubuli eigentlich entdeckt?
Die Mikrotubuli sind allgemein bekannt als Baustein der Teilungsspindel. Weniger bekannt ist freilich, dass sie zunächst gar nicht erkannt wurden. Entdeckt wurden die Mikrotubuli nämlich in Pflanzenzellen - 1963 durch Ledbetter und Porter. Spannend dabei: ein Jahr vor ihrer Entdeckung wurden sie vorhergesagt, von dem Biophysiker Paul Green (1962). Er schaute nämlich durch die Brille der Physik auf das Wachstum der Pflanzenzellen und stellte fest, dass die Aufnahme von Wasser in die Vakuole eigentlich dazu führen müsste, dass Pflanzenzellen in die Breite gehen, nicht aber in die Länge. Daraus schloss er, dass die Zellwand nicht in allen Richtungen gleich dehnbar sein könne, sondern dass sie in Querrichtung steifer sei als in Längsrichtung. Daher müsse die Zelle über einen Mechanismus verfügen, die Richtung der Zellulosefasern in der Zellwand zu steuern. Dieser Mechanismus müsse von kleinen Röhrchen ("micro-tubules") abhängen. Diese "Mikro-Tubuli" wurden dann ein Jahr später mit der damals neuen Technik der Elektronenmikroskopie auch tatsächlich entdeckt. Erst Jahre später kam man dahinter, dass die Fasern der Teilungsspindel ebenfalls aus Mikrotubuli bestehen.
Umwelt und Form: Mikrotubuli als Bindeglied
Da Pflanzen nicht wegrennen können, wenn ihnen die Umwelt nicht zusagt, bleibt ihnen nur der Weg der Anpassung. Ein Teil dieser Anpassung ist die Veränderung der Pflanzengestalt. Wie sehr Signale aus der Umwelt die Pflanzengestalt verändern können, weiß jeder, dem einmal im dunklen Kartoffelkeller die Kartoffeln ausgetrieben sind - diese langen und dünnen, etiolierten (zu deutsch: vergeilten) Keimlinge stecken ihre ganze Energie in Längenwachstum. Der biologische Zweck ist natürlich, das Licht zu erreichen. Im Licht wird das Längenwachstum sofort eingestellt. Licht ist auch das Signal, das am schnellsten auf die Mikrotubuli einwirkt. Sie ändern nämlich ihre Richtung von quer nach längs und da die Mikrotubuli als Bewegungsschienen für die Enzyme wirken, die Zellulose bilden, ist daher die Zellulose ebenfalls längs orientiert. Die Zelle wächst dann in die Breite, nicht in die Länge. Im Dunkeln sind die Mikrotubuli dagegen quer orientiert und das ist die Ursache für die Vergeilung von Keimlingen im Dunkeln.
Woran arbeiten wir?
Mikrotubulli sind also ein Werkzeug, mit dem Pflanzen ihre Gestalt abhängig von der Umwelt verändern können. Vor drei Jahrzehnten konnten wir das zum ersten Mal am Beispiel des Phototropismus zeigen - eine durch Licht ausgelöste Umrichtung der Mikrotubuli war die Ursache für die Krümmung der Pflanze zum Licht hin (Nick et al. 1990). Später untersuchten wir die Reaktionen der Mikrotubuli auf verschiedene Umweltsignale wie Licht, Schwerkraft, mechanische Reizung und beschäftigten uns auch mit der Frage, inwieweit diese Reaktionen durch Hormone vermittelt werden und wie sie in die Biologie der Pflanze eingebunden sind. Da die Form von Pflanzen von großer landwirtschaftlicher Bedeutung ist, geht es uns zunehmend auch darum, unser Wissen für die Verbesserung von Kulturpflanzen nutzbar zu machen.