RNA aus mütterlichem Pflanzengewebe sichert die Samenentwicklung

Die Verwandlung einer einzelnen Pflanzenzelle in ein funktionsfähiges Pollenkorn folgt keinem isolierten Bauplan, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) nun eindrucksvoll widerlegen konnten. Entgegen der bisherigen Annahme, dass die Steuerung der Pollenentwicklung ausschließlich lokal – also im Pollen selbst oder im direkt angrenzenden mütterlichen Gewebe – stattfindet, spielt die Pflanze als Ganzes eine entscheidende Rolle.

Den Schlüssel hierzu bilden sogenannte kleine RNAs. Diese winzigen Moleküle fungieren als molekulare „Kurznachrichten“, die präzise festlegen, welche Gene in der Zelle aktiviert oder stummgeschaltet werden. Die neue Studie zeigt ein überraschendes Bild dieser Kommunikation. Die für die Entwicklung essenziellen Signale stammen aus dem mütterlichen Gewebe und legen innerhalb der Pflanze weite Strecken zurück. So können Informationen sogar aus den Wurzeln bis in die Blüten gelangen, um dort die Reifung der Pollen zu steuern.

Um diesen Fernverkehr der Signale nachzuweisen, nutzte das Team um Prof. Dr. Claudia Köhler die Methode des Pfropfens bei der Pflanzengattung Capsella rubella. Durch die Kombination von Spross und Wurzelstock unterschiedlicher Pflanzenindividuen konnte das Forschungsteam erstmals belegen, dass die genetischen Regisseure der Pollenentwicklung tatsächlich über Distanzen hinweg transportiert werden und die mütterliche Pflanze somit aktiv die Qualität ihrer Nachkommen aus der Ferne mitbestimmt.

Unerwartete Absender: Anweisung für Pollen aus mütterlichem Gewebe

In einem gezielten Experiment deaktivierten die Forschenden im Spross der Pflanze Capsella die RNA-Polymerase IV (Pol IV), ein Enzym, das für die Produktion spezifischer kleiner RNAs unverzichtbar ist. Normalerweise führt das Fehlen von Pol IV bei dieser Gattung dazu, dass die Pollenentwicklung vorzeitig abbricht, kaum reife Pollen entstehen und die Samenbildung folglich ausbleibt.

Die überraschende Wende trat jedoch ein, als ein solcher veränderter Spross auf einen gesunden, unveränderten Wurzelstock gepfropft wurde. Die Pflanzen entwickelten wider Erwarten reife Pollen und setzten Samen an. Dieser Erfolg beweist, dass ein mobiles Signal aus der Wurzel in der Lage ist, die Pollenentwicklung im weit entfernten Spross zu steuern. Die Pflanze organisiert ihre Fortpflanzung somit über große Distanzen hinweg mithilfe molekularer „Kurznachrichten“.

„Unsere Daten zeigen, dass kleine RNAs wie mobile Entwicklungsanweisungen wirken können“, erklärt Jiali Zhu. „Sie werden in mütterlichen Geweben gebildet, gelangen in den männlichen Teil der Pflanze und sind dort entscheidend für eine normale Pollenreifung.“

Keine epigenetische Reparatur, sondern gezielte Eingriffe

Normalerweise fungiert Pol IV als Teil der RNA-gesteuerten DNA-Methylierung, einem epigenetischen Mechanismus, der Gene oder mobile DNA-Elemente dauerhaft stilllegt. Doch die aktuellen Beobachtungen lassen sich damit nicht erklären. Zwar waren nach dem Pfropfen im Pollen wieder kleine RNAs nachweisbar, die fehlende DNA-Methylierung kehrte jedoch nicht zurück. Stattdessen legen die Daten nahe, dass die mobilen RNAs erst nach dem Auslesen der Gene ansetzen und gezielt bestimmte RNA-Moleküle abbauen. Die „SMS“ aus dem mütterlichen Gewebe hinterlässt somit keine langfristigen epigenetischen Spuren, sondern greift unmittelbar in die laufenden Prozesse der Pollenentwicklung ein.

Ein verstecktes System kommt ans Licht

Besonders überraschend ist die starke Ähnlichkeit dieser kleinen RNAs mit den sogenannten reproduktiven phasiRNAs. Diese Moleküle sind bei vielen Blütenpflanzen als zentrale Akteure für die männliche Fruchtbarkeit bekannt. Innerhalb der Familie der Kreuzblütler, zu der neben Capsella rubella auch Nutzpflanzen wie Kohl oder Senf zählen, ging die Wissenschaft jedoch lange davon aus, dass solche Systeme gar nicht existieren.

Die aktuelle Studie korrigiert dieses Bild und legt nahe, dass es in Capsella sehr wohl einen phasiRNA-ähnlichen Mechanismus gibt. Dieser wird jedoch auf ungewöhnliche Weise angestoßen. Anstatt der klassischen miRNA-Trigger, also spezieller kleiner RNAs, fungieren hier die mobilen, Pol-IV-abhängigen kleinen RNAs als entscheidender Impulsgeber.

Warum das unseren Blick auf Pflanzen verändert

„Sehr wahrscheinlich ist dieser Mechanismus auch in weiteren Pflanzenarten konserviert“, sagt Prof. Claudia Köhler. „Diese Erkenntnis eröffnet eine Reihe spannender Folgefragen: Welche „Nachrichten“ werden in mütterlichen Geweben erzeugt? Wie werden sie durch die Pflanze transportiert? Und wie stark verknüpft die Pflanze ihre Fortpflanzung auf diese Weise mit Umweltbedingungen oder ihrem eigenen Entwicklungszustand? Die Pflanzenreproduktion ist ein sehr fein abgestimmter Prozess, in dem es noch einige verborgene Stellschrauben zu entdecken gibt.“

Diese Studie verändert unser grundlegendes Verständnis der pflanzlichen Fortpflanzung maßgeblich. Kleine RNAs fungieren demnach nicht bloß als lokale Schalter innerhalb einzelner Zellen, sondern agieren als mobile Botenstoffe. Sie transportieren Informationen über Organ-Grenzen hinweg und ermöglichen es der Pflanze, die Entwicklung der nächsten Generation gezielt von zentraler Stelle aus zu steuern.

Quelle

Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (01/2026)