#Wie Pflanzen ihre Wunden heilen

Wenn die Wurzeln einer Pflanze verletzt werden, hängt ihr Überleben davon ab, dass sie die Wunde schnell wieder zuwachsen lässt. Eine Studie zeigt nun, welche Mechanismen dabei im Gang sind. Demnach wird der Heilungsprozess durch mechanische Kräfte angetrieben, die dafür sorgen, dass sich die umliegenden Zellen zunächst zur verletzten Stelle hin ausdehnen und sich dann teilen, um die Wunde zu verschließen. Die Richtung des Wachstums wird dabei durch die Anordnung der Mikrotubuli im Inneren der Zellen bestimmt, deren Orientierung wiederum durch die mechanische Dehnung der Zelle gesteuert wird.

Wenn wir uns in den Finger schneiden, sind rasch Blutzellen zur Stelle, die die Wunde zunächst provisorisch verschließen und anschließend die Heilung in Gang bringen. Pflanzen jedoch haben keinen Blutkreislauf mit mobilen Zellen, sondern sind auf einen anderen Mechanismus angewiesen. Ihre Zellen sind unbeweglich in ihren Zellverbund platziert und können sich üblicherweise nur in eine vorgegebene Richtung teilen: In den Wurzeln folgen sie der Schwerkraft, im oberirdischen Teil dem Licht.

Gesteuert durch Druck und Dehnung

Ein Team um Lukas Hoermayer vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat nun herausgefunden, wie es Pflanzen unter diesen Voraussetzungen gelingt, Schäden an ihren Geweben zu beheben. Als Modellpflanze nutzen die Forschenden die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Mit Hilfe eines Laserstrahls verletzten sie gezielt die Wurzeln der Pflanze und filmten in Echtzeit unter dem Mikroskop, wie die Pflanze die Wunde wieder reparierte.

Dabei stellten sie fest, dass sich das Gewebe nach einer Verletzung augenblicklich umformt und so die Wunde verkleinert. Dieser Prozess wird durch den Druckverlust angetrieben, der dadurch entsteht, dass die Verletzung Zellen aus dem dicht gedrängten Zellverbund entfernt. „Das ist wie zwei Luftballons, die aneinandergepresst sind“, erklärt Hoermayer. „Wenn einer der beiden explodiert, verformt sich der andere sofort in Richtung des Geplatzten, um den Druck auszugleichen.“

Neuausrichtung der Mikrotubuli

Zusätzlich begannen die Nachbarzellen, sich zu teilen, um die Wunde zuwachsen zu lassen. Dabei waren sie in der Lage, sich nicht nur nach unten hin zu teilen, wie in Wurzeln üblich, sondern auch nach oben oder zur Seite, je nachdem, wo die Verletzung war. Anhand der mikroskopischen Aufnahmen stellten Hoermayer und sein Team fest, dass diese gerichtete Teilung durch die Anordnung der sogenannten Mikrotubuli in den Zellen gesteuert wurde. Dabei handelt es sich um röhrenförmige Proteinstrukturen, die während der Zellteilung bei der Aufteilung des genetischen Materials helfen und bestimmen, wo die Teilungsebene liegt.

Doch was ist die treibende Kraft hinter der geänderten Anordnung der Mikrotubuli bei einer Wurzelverletzung? „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die schieren mechanischen Kräfte, die durch die Dehnung der Zellen entstehen, die Zellteilung bei der Wundheilung antreiben“, sagt Hoermayer. Um diese Vermutung zu untermauern, führten die Forschenden ein weiteres Experiment durch, bei dem sie die Wurzeln nicht verletzten, sondern unter dem Mikroskop einzelne Zellen mit einer winzigen Pipette ansaugten und so ebenfalls eine mechanische Dehnung herbeiführten. Tatsächlich ordneten sich auch in diesem Fall die Mikrotubuli zur Dehnungsstelle hin ausgerichtet an.

„Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, wie die Neuausrichtung von Mikrotubuli die Zellteilungsebenen neu anordnet, was eine gerichtete Zellexpansion ermöglicht und letztlich die Gewebe- und Pflanzenarchitektur bestimmt“, schreibt das Forschungsteam. „Das offenbart einen lange gesuchten Mechanismus für die flexible Neuanordnung von Zellteilungen durch mechanische Kräfte für den Wiederaufbau von Pflanzengewebe.“

Quelle: Lukas Hoermayer (Institute of Science and Technology Austria, ISTA) et al., Developmental Cell, doi: 10.1016/j.devcel.2024.03.009

© wissenschaft.de – Elena Bernard