Prof. Dr. Richard Smith, Institute of Plant Sciences der Universität Bern

Mai 2012

Im März erschien in „Science“ Prof. Dr. Richard Smiths Arbeit über neuste Erkenntnisse zum Pflanzenwachstum. Neben bekannten, genetischen Faktoren, konnte ein Team der Berner Universität zeigen, dass auch die mechanischen Eigenschaften der Zellen eine elementare Rolle spielen.

«Unelastische» Stammzellen

Ist bei Tieren, die Ausprägung und Gestalt des Körpers zum grössten Teil bereits im Embryo festgelegt, sind Pflanzen zeitlebens in der Lage neue Organe zu bilden. Zu diesem Zweck verfügen sie über die Fähigkeit das Wachstum und die Organbildung an der Spitze ihrer Sprosse zu kontrollieren. Während die genetischen Aspekte dieses Prozesses gut bekannt sind, wurde nun der Einfluss mechanischer Eigenschaften der Zelle auf die Ausbildung komplexer Formen wie beispielsweise Blätter erforscht.

Um die mechanischen Eigenschaften messen zu können, tauchten die Wissenschaftler Sprosstriebe in unterschiedlich stark konzentrierte Zucker- und Salzlösungen. Diese Behandlung lies die Zellen des Sprosstriebes schrumpfen oder anschwellen, ähnlich einem Luftballon, den man aufbläst, oder bei dem man Luft ablässt. Die Grössenänderung einzelner Zellen wurde dabei mit einer speziell dafür entwickelten Software erfasst. Sie gab detailliert Aufschluss über Elastizität und Wachstumsrate verschiedener Regionen des Sprosstriebes. Es zeigte sich dabei, dass Zellen in unterschiedlichen Regionen auch unterschiedlich auf die Druckänderung reagierten: Während sich die Stammzellen an der Spitze  bei Erhöhung des Zelldruckes kaum weiter ausdehnten, so verhielten sich periphere Zellen deutlich elastischer. Dies wurde als möglicher Grund gewertet warum sich Stammzellen an der Spitze des Sprosses nicht differenzieren können und somit Blätter immer nur in einiger Entfernung entstehen. Das Wachstum eines neuen Blattes bedingt nämlich, dass die entsprechenden Zellen schneller als ihre direkte Umgebung wachsen und somit eine Ausbuchtung vom restlichen Spross bilden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die entsprechenden Zellwände auch eine hohe mechanische Verformbarkeit aufweisen.

Dieses Projekt ist ein Paradebeispiel für Systembiologie, da diverse Fachbereiche - Biologie, Mathematik, Informatik und Physik – zusammen gearbeitet haben.

Prof. Dr. Richard Smith verfügt über einen Bachelor in Mathematik und Informatik (Regina, Canada) und einen Doktortitel in Informatik (Calgary, Canada). Seine Gruppe besteht aus Mathematikern, Informatikern und Physikern, die am Berner Institute of Plant Sciences, im Sinne der modernen Systembiologie, eng mit Biologen zusammenarbeiten. Die jüngste Arbeit wurde von SystemsX.ch finanziert, die computer-gestützten Untersuchungen zum Pflanzenwachstum gehen weiter.

Dr. Richard S. Smith
Phone:+49 221 5062 130
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