Das anisotrope Zellwachstum in Pflanzen: Symmetriebrechung

Pflanzen wissen genau, in welche Richtung sie wachsen müssen. Man sieht es an langen Baumstämmen oder Rankpflanzen, die sich im Garten ausbreiten. Solche Strukturen entstehen, weil Pflanzenzellen sich gezielt in eine bestimmte Richtung ausdehnen können. Pflanzenzellen stehen aber unter enormem inneren Druck vergleichbar mit einem Ballon, der mit mehr als 5 bar aufgepumpt ist. Damit sie nicht platzen, sind sie von einer festen Zellwand aus Zellulose umgeben, die das Wachstum begrenzt und die Zellen miteinander verbindet. Zwar ist seit Langem bekannt, dass diese starre Zellwand die Form und das Wachstum bestimmt, doch wie eine einzelne Zelle die Richtung ihres Wachstums festlegt, ist bis heute ungeklärt. Dieses Projekt geht dieser grundlegenden Frage durch Untersuchen vereinzelter Pflanzenzellen nach. Vereinzelte Zellen besitzen keine Zellwand mehr, bauen sie jedoch vollständig neu auf. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Zellen anfangs gar keine ausgerichtete Zellwand besitzen, die ihnen eine eindeutige Wachstumsrichtung vorgeben könnte. Stattdessen bildet sich die Zellwand als zufällig angeordnetes Netzwerk aus Zellulosefasern heraus. Dadurch entstehen Unregelmäßigkeit mit mechanisch schwächeren Bereichen. Sobald der Innendruck der Zelle ansteigt, bricht das Fasernetz genau an diesen schwächeren Stellen auf und die Zelle dehnt sich eine einzige Richtung aus ein unerwarteter Mechanismus, der bestehende Theorien über Pflanzenwachstum infrage stellt. In dem Projekt untersuchen wir, wie solche mechanischen Schwachpunkte entstehen und wie die Zellulosefasern später den mechanischen halt geben können, sodass die Zelle nur noch in eine Richtung wachsen kann. Dafür werden wir hochauflösende Lasermikroskope benutzen, um einzelne Fasern während des Wachstums mit 0.2m Dicke in Echtzeit verfolgen zu können. Gleichzeitig können wir das Zellinnere beobachten und Rückschlüsse daraus ziehen, welche Prozesse dieses Wachstum steuern. Ergänzend wird Computermodell simulieren, wie Innendruck und Zelluloseanordnung zusammenwirken, um gerichtetes Wachstum zu ermöglichen. So können wir ein neues biophysikalisches Modell erschaffen und beschreiben, wie sich Pflanzenzellen selbst organisieren, um koordiniert zu wachsen. Seit über 100 Jahren ist bekannt, dass die Anordnung von Zellulosefasern entscheidend für das Pflanzenwachstum ist. Dennoch war bislang unklar, wie Pflanzenzellen es schaffen, diese Ausrichtung überhaupt aufzubauen und zu steuern. Mit unserem Projekt können wir diesen bislang unbekannten Mechanismus zum ersten Mal aufdecken. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses ist nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig, sondern auch für zukünftige Anwendungen in der Landwirtschaft, etwa für widerstandsfähigere Pflanzen oder eine effizientere Biomasseproduktion. Das Projekt trägt somit wesentlich dazu bei zu verstehen, wie Pflanzen ihren Körper auf zellulärer Ebene formen und ständig umbauen.