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+++ INFORMATION - Gravitationsbiologie +++

Gravitationsbiologie  [ Seite 3 ]

Modellsysteme: Chara-Rhizoid und Chara-Protonema



Die Armleuchteralge Chara weist eine typische Gliederung in lange Internodialzellen und mehrzellige Knotenbereiche auf, aus denen Seitenästchen, die Arme des Armleuchters, entspringen. An dem Knotenbereich entstehen unter Stressbedingungen, z.B. Verwundung, zahlreiche, nach unten wachsende, schlauchförmige Zellen, die Rhizoide.




Im Licht bilden die Knotenzellen der Grünalge nach Verletzung oder nach Abreißen eines Sproßstücks Rhizoide aus. Diese wachsen positiv gravitrop, um so für eine stabile Verankerung im Sediment zu sorgen. Dunkel gehalten, produzieren die gleichen Knotenzellen aber negativ gravitrop, nach oben wachsende Zellen, die wir Protonemata nennen. Die Aufgabe der Protonemen ist es, z.B. nach Verschütten der Alge schnell nach oben ans Licht zu gelangen, wo sie durch ein kompliziertes Muster von Zellteilungen die komplette grüne Pflanze regenerieren. Solange Protonemen im Dunkeln wachsen, sind beide Zellen nahezu identisch. Sie wachsen beide mit Spitzenwachstum, dh. durch lokal eng begrenzenten Einbau von sekretorischen Vesikeln an der Zellspitze. Beide Zelltypen haben die gleiche polare cytoplasmatische Organisation, besitzen einen großen Zellkern, eine Basalzone mit großer Zentralvakuole und lebhafter Rotationsströmung. Nahe er Zellspitze finden wir bei beiden Zellen Statolithen. In diesem Fall sind es aber keine stärkereichen Amyloplasten, sondern Vesikel von ca. 2 µm Durchmesser, die BaSO4-Kristalle von hoher Dichte (4,5) enthalten. Der einzige drastische Unterschied ist: die Zellen orientieren sich in entgegengesetzte Richtungen. Die Vorteile dieser Zellen gegenüber den vielzelligen Organen der höheren Pflanzen sind:

Sie sind einzellig, transparent und relativ groß (30 µm Durchmesser und bis zu einige mm lang)
Die Vorgänge: Suszeption, Perzeption und Response finden alle an einem Ort in der Zellspitze, statt.
die Zellen sind für zahlreiche physiologische, zellbiologische, molekulare und biophysikalische Untersuchungsmethoden zugänglich.



Bei den gravitropen Orientierungsmechanismen beider Zellsysteme ist eine Verlagerung von Statolithen beteiligt. In Rhizoiden sedimentieren die Statolithen der Schwerkraft folgend auf die untere Zellflanke. Dadurch wird das Wachstum der unteren Flanke im Vergleich zur oberen gehemmt, der Apex wird asymmetrisch, flacht etwas ab, und die Spitze verlagert sich durch dieses differentielle Flankenwachstum nach unten. Diese sanft-bogenförmige Krümmung (bowing) wird so lange fortgesetzt, bis die Zellspitze wieder nach unten zeigt und die Statolithen wieder symmetrisch über den Zellquerschnitt verteilt sind. Bei der Protonemazelle sedimentieren die Statolithen zwar auch, aber sie werden zusätzlich durch akropetalen (spitzenwärtigen) Transport in die Zellspitze hineingedrückt. Daraufhin entsteht zuerst eine Ausbeulung an der oberen Zellflanke und die Zellspitze macht einen regelrechten "Knick" nach oben. Nach dieser ersten drastischen Richtungsänderung (30-40°) verläuft die weitere Aufkrümmung recht langsam, bis die Zelle nach einigen Stunden wieder aufrecht wächst. Wir wissen bereits von Experimenten mit Cytochalasin-Drogen, die die Aktinfilamente zerstören, daß Aktin einerseits am Spitzenwachstum selbst beteiligt ist, andererseits aber auch die Positionierung der Statolithen in beiden Zelltypen kontrolliert. Zerstört man in Rhizoiden die Aktinfilamente, fallen die Statolithen in die Zellspitze, und das Wachstum hört auf. In Protonemen sind die Aktinfilamente dagegen notwendig, um die Statolithen entgegen der Schwerkraft in der Nähe des Apex zu halten. Im Gegensatz zu Rhizoiden müssen die Statolithen nämlich in Protonemen am Absinken in Richtung Zellbasis gehindert werden. Schon hier zeigt sich, dass Aktin für das gravitrope Spitzenwachstum beider Zellsysteme eine wichtige, aber wohl auch sehr unterschiedliche Rolle spielt.

Was wir nun wissen wollten, war:

Wie funktioniert das Spitzenwachstum,
Welche Mechanismen liegen den beiden gegensätzlichen gravitropen Reaktionen zugrunde.



Spitzenwachstum funktioniert eigentlich ganz einfach. In der Zellspitze finden wir einen Spitzenwachstums-Apparat, der sogenannte Spitzenkörper, der bei Rhizoiden und Protonemen aus einer Ansammlung von sekretorischen Vesikeln besteht, die Zellwandmaterial enthalten, und einem zentralen Aggregat aus Endoplasmatischem Retikulum (ER-Aggregat). Aktin organisiert einerseits diese Endomembranstruktur, und auch der Transport der Vesikel wird durch das Aktomyosin-System vermittelt.




Nach Anfärbung mit Rhodamin-Phalloidin erkennt man ein dichtes, axial ausgerichtetes Geflecht aus Aktinfilamenten in der Subapikalzone. In der Apikalzone verdichten sich die Filamentbündel in einem zentralen, kugelförmigen Bereich, dessen Position exakt mit der des Endomembranaggregates übereinstimmt. Dieses ER-Aggregat gilt als eine Art Verteilerzentum für die Exocytose-Vesikel, die die Grundbaustoffe für die Plasmamembran und die Zellwand enthalten. Exakt im Bereich dieses ER-Aggregates haben wir kürzlich ein Protein, das Spektrin, nachgewiesen, das auch unseren roten Blutkörperchen ihre Gestalt gibt, indem es Aktinfilamente über weitere Proteine mit der Plasmamembran verknüpft und so ein submembranes Stützskelett bildet. Die gleiche Funktion scheint dieses Spektrin-artige Protein auch in Rhizoiden und Protonemen zu haben. Es organisiert zusammen mit Aktin das ER-Aggregat, dem eine wichtige Rolle beim gravitropen Spitzenwachstum zukommt.




Um die Bedeutung des Aktins für das schwerkraftorientierte Spitzenwachstum besser kennen zu lernen, wurde die Wechselwirkung der Statolithen mit dem Aktin-Cytoskelett intensiv studiert. Außer normaler, sehr bodenständiger, zellbiologischer und immuncytochemischer Methoden, haben wir auch Klinostaten und Zentrifugen eingesetzt, mit denen man die Reizstärke (Massenbeschleunigung) variieren kann. Wenn man aber die Reizverarbeitung analysieren will, wäre es natürlich besonders wünschenswert, wenn man den Reiz ganz abschalten könnte. Wie wir zu Beginn gesehen haben, geht das nicht. So haben wir zwar nicht diese recht grobe Methode unseres Comic-Helden Hägar angewendet (die im Prinzip durchaus funktionieren würde), aber doch Parabelflüge genutzt, um unsere Biosensoren in nahezu "reizfreier" Mikrogravitation zu untersuchen.




Auf ESRANGE, einer Raketen-Abschußbasis und Satellitenstation der schwedischen Space Corporation (SSC) bei Kiruna, im hohen Norden Schwedens, haben wir Chara-Rhizoide in vakuumdichte Behälter gepackt und diese in die Nutzlast von TEXUS-Raketen geladen.




Per Videoverbindung wurden die Rhizoide während der Mikrogravitationsphase des Parabelfluges direkt beobachten und hier ist das Ergebnis: die Statolithen wurden während der 6 min Mikrogravitationsphase auf das Doppelte des ursprünglichen Abstands von der Zellspitze verlagert. Daraus mussten wir folgern: Unter 1g werden die Statolithen in Rhizoiden durch zwei gegensätzlich wirkenden Kräfte in einem dynamisch stabilen Gleichgewicht gehalten. Die eine Kraft ist die Schwerkraft, die die Statolithen nach unten in die Spitze zieht; die zweite Kraft wird vom Aktomyosin-System vermittelt, das der Schwerkraft entgegenwirkt. Daß es tatsächlich die Aktinfilamente sind, die für die Verlagerung verantwortlich sind, beweist ein Kontroll-Experiment. Wenn man Rhizoide vor Start mit dem Pilzgift Cytochalasin behandelt, das die Aktinfilamente zerstört, dann sedimentieren die Statolithen in die Zellspitze. Während der 6 min µg-Phase verändern diese Statolithen ihre Position nicht. Die Verlagerung in unbehandelten Rhizoiden ist also nicht auf rein physikalische Effekte der Mikrogravitation zurückzuführen.




In den Statocyten der Kresse-Wurzeln wurde übrigens genau das Gleiche gefunden. Auch hier wurden die Statolithen deutlich angehoben, ein guter Beleg dafür, daß Aktin vermutlich wohl auch hier eine wichtige Funktion hat.




Um die räumliche Interaktion der Statolithen mit dem Aktomyosin-System genauer zu studieren, wurden Rhizoide auch mit sedimentierten Statolithen der Mikrogravitation ausgesetzt und es ist deutlich zu sehen, daß auch die sedimentierten Statolithen während der Mikrogravitationsphase ein beträchtliches Stück axial verlagert wurden, in lateraler Richtung aber nur sehr wenig bewegt werden. Die Aktinfilamente kontrollieren die Statolithenposition axial also sehr präzise, während die Interaktion in lateraler Richtung sehr gering ist. Und genau das erlaubt eine schnelle, ungehinderte Sedimentation bei Lageveränderung der Zelle - und eine zügige Krümmungsantwort. Bestätigt wurden diese Ergebnisse durch Laserpinzettenexperimente (optical tweezers) mit denen die Kräfte gemessen wurden, die die Zelle der Verlagerung von Statolithen in axialer und lateraler Richtung entgegensetzt.

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© Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen IMBIO, AG Gravitationbiologie  ( © Fabian A. Paul )