Ejakulation in der Maisblüte

Die Spermazellen der Blütenpflanzen stecken in den Pollenkörnern, die vom Wind oder durch Insekten zu anderen Blüten befördert werden. Dort keimen sie aus: Sie bilden Schläuche, die je zwei Spermazellen bergen und durchs Gewebe des Fruchtknotens bis zu den Samenanlagen vordringen. Darin liegen die Eizellen, flankiert von jeweils zwei Helferzellen.

Wie findet ein Pollenschlauch zu einer der zahlreichen Samenanlagen? Diese Frage beschäftigt die Pflanzenwissenschaft seit der Zeit von Eduard Strasburger (1844-1912). Der Bonner Botaniker hatte die Befruchtung bei Pflanzen bereits erfolgreich beschrieben – nur aufgrund von Beobachtungen unter dem Mikroskop.

„Heute wissen wir, dass die Helferzellen einen Signalstoff abgeben, der den Pollenschlauch anlockt“, sagt der Regensburger Professor Thomas Dresselhaus. Diese Erkenntnis hat seine Arbeitsgruppe 2009 publiziert. Gemeinsam mit den Pflanzenforschern Dirk Becker und Dietmar Geiger vom Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg haben die Regensburger jetzt einen neuen Signalstoff entdeckt, der den Pollenschlauch in der Nähe der Eizellen platzen lässt. Veröffentlicht ist dieses Ergebnis im Magazin PLoS Biology.

Signalstoff gehört zu den Defensinen

Der neu entdeckte Signalstoff ist ein Eiweißmolekül und ähnelt stark den so genannten Defensinen. Von diesen Proteinen erzeugen Pflanzen in ihren männlichen und weiblichen Geschlechtsorganen sehr viele Varianten. Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass Defensine die Geschlechtszellen und den sich entwickelnden Samen vor Krankheitserregern schützen. Denn ursprünglich sind Defensine ein Teil des Immunsystems von Tieren und Pflanzen; sie wehren Erreger wie Bakterien und Pilze ab.

Offensichtlich spielen Defensine aber auch beim Sex der Pflanzen eine wichtige Rolle. Das legen die Erkenntnisse nahe, die die Regensburger und Würzburger Forscher beim Mais gewonnen haben: In dessen Samenanlagen schütten die Helferzellen eine besondere Form der Abwehrproteine aus, die so genannten ZmES1-4-Defensine.

Pollenschlauch platzt bei den Eizellen

Eines der Defensine lockt den Pollenschlauch an, ein anderes bringt ihn zum Platzen, sobald er ganz nah bei den Eizellen ist – eine Art Ejakulation, welche die unbeweglichen Spermazellen ins Freie bringt, so dass die Befruchtung stattfinden kann. „Die ZmES1-4-Defensine öffnen beim Pollenschlauch Kalium-Ionen-Kanäle“, berichten Dirk Becker und Dietmar Geiger, „dadurch werden die Spermazellen explosionsartig freigesetzt.“

Neuartige Kreuzungen zwischen Pflanzen?

Diese Ergebnisse versprechen neuartige Anwendungsmöglichkeiten: Mit ihnen lassen sich womöglich die natürlichen Barrieren überwinden, die eine Kreuzung zwischen verschiedenen Pflanzenarten verhindern.

„Wünschenswert wäre es zum Beispiel, die Eigenschaften bestimmter Wildgräser in Getreide einzukreuzen“, erklärt Dirk Becker. Eine Manipulation der Kalium-Kanäle oder der Defensine könnte solche Kreuzungen künftig vielleicht realisierbar machen.

Erkenntnisse zur Evolution der Fortpflanzung

Zur Evolution der Pflanzen liefern die Arbeiten der Forscher ebenfalls neue Erkenntnisse. „Unsere Ergebnisse deuten an, dass schon die ersten Landpflanzen vor etwa 470 Millionen Jahren und später auch die Blütenpflanzen, die vor etwa 170 Millionen Jahren entstanden sind, Mechanismen der Krankheitsabwehr benutzt und angepasst haben, um neue Fortpflanzungsstrategien zu entwickeln.“

Die entwicklungsgeschichtlichen Vorgänger der Blütenpflanzen – Moose und Farne – besitzen bewegliche Spermazellen, ebenso wie auch manche Blütenpflanzen selbst. Die meisten Blütenpflanzen aber haben die Strategie verändert, mit der sie die Sperma- und die Eizellen zusammenbringen: Ihre Spermazellen sind unbeweglich, ein Pollenschlauch übernimmt den zielgerichteten Transport zu den Eizellen.

Kontakt

Dr. Dirk Becker, Lehrstuhl für Botanik I – Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg, T (0931) 31-86108, dbecker@botanik.uni-wuerzburg.de

“Defensin-Like ZmES4 Mediates Pollen Tube Burst in Maize via Opening of the Potassium Channel KZM1”, Suseno Amien, Irina Kliwer, Mihaela L. Márton, Thomas Debener, Dietmar Geiger, Dirk Becker, Thomas Dresselhaus, PLoS Biology 8(6): e1000388. doi:10.1371/journal.pbio.1000388