Bewegliche Spermien und häufige Abtreibungen im Kleinen Blasenmützenmoos

Als Teil von Mooren sind sie wichtig für den Klimaschutz und in der Biotechnologie gewinnen sie bei der Herstellung von Pharmazeutika zunehmend an Bedeutung: Moose sind aus den verschiedensten Gründen interessante Forschungsobjekte. Auch deshalb, weil sie den ersten Landpflanzen besonders ähnlich sind: Dadurch erlauben sie Einblicke in die ursprüngliche Funktion der Signalmoleküle, die in allen heutigen Landpflanzen Wachstum und Entwicklung steuern. Forschende der Universität Freiburg und des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies fanden heraus, dass Transporter des Hormons Auxin die Fruchtbarkeit von Laubmoosen beeinflussen. Ihre Beobachtungen sind in der Fachzeitschrift New Phytologist erschienen.

Auxin und PIN-Proteine kontrollieren Fruchtbarkeit

Das Hormon Auxin kommt in allen Landpflanzen vor und reguliert Wachstum und Entwicklung sowohl in Bäumen als auch in Moosen. Dasselbe gilt für die Moleküle, die das Auxin transportieren und so dessen Verteilung steuern: die sogenannten PIN-Proteine. Das Laubmoos Physcomitrella (Physcomitrium patens), auch Kleines Blasenmützenmoos genannt, besitzt drei verschiedene PIN-Proteine. Zwei davon sind wichtig für das Wachstum von Blättern und Spross. Welche Funktion das dritte, PINC, hat, war hingegen bisher unklar – Laubmoose, denen PINC fehlt, wachsen scheinbar völlig normal.

Ein Team um Prof. Dr. Ralf Reski von der Fakultät für Biologie und den Exzellenzclustern CIBSS und livMatS der Universität Freiburg fand nun heraus, dass PINC einen doppelten Einfluss auf die Fruchtbarkeit von Physcomitrella hat. Dafür untersuchten sie die Pflanzen auch unter niedrigen Temperaturen und kurzen Lichtperioden – Bedingungen, unter denen Moose dieser Art weibliche und männliche Geschlechtsorgane ausbilden.

Spermien schwimmen ohne PINC besser

„In Physcomitrella-Pflanzen, denen PINC fehlte, waren deutlich mehr Spermien schwimmfähig und hatten gerade, anstatt gebogene Flagellen“, beschreibt Volker Lüth, Erstautor der Studie und Doktorand in Reskis Labor, die Beobachtungen. Im Gegensatz zu fast allen anderen Landpflanzen haben Moose Spermien, die sich mit Flagellen fortbewegen. Um zu einer Eizelle zu gelangen, müssen sie durch Wassertropfen zu den weiblichen Geschlechtsorganen schwimmen. Schlechte Schwimmer sind dabei im Nachteil – was das Ergebnis überraschend macht: „Man würde eigentlich nicht erwarten, dass es einen molekularen Mechanismus gibt, der die Fruchtbarkeit der Spermien verringert“, sagt Reski. Ein möglicher Grund dafür könnte sein, dass die im Labor verwendeten Pflanzen generell weniger fruchtbar als ihre wilden Verwandten sind, vermutet der Forscher. „In jedem Fall zeigen unsere Ergebnisse erstmals, dass Auxin in Laubmoosen eine Rolle bei der Reifung von Spermien, der sogenannten Spermatogenese, spielt“, so Reski.

Ohne PINC gehen Sporenkapseln verloren

Einen entgegengesetzten Effekt hatte PINC auf die Verankerung der Sporenkapsel: Das ist die Struktur, die aus der befruchteten Eizelle entsteht. Bei Physcomitrella bleibt sie auf den weiblichen Organen stehen, wo sie festgehalten und mit Nährstoffen versorgt wird. Trennt sich diese Verbindung, entspricht das der Abtreibung eines Embryos, wie Reski erklärt. „Fehlte den Moosen PINC, dann kam es deutlich häufiger zu solchen Abtreibungen,“ sagt er. Wichtig dabei ist wahrscheinlich eine braune Ringstruktur, die den Fuß der Sporenkapsel umschließt. Einen Namen hatte diese Struktur bisher nicht: „Dieser Ring ist unter dem Mikroskop zwar deutlich erkennbar, wurde unseres Wissens nach aber zuletzt 1909 vom deutschen Botaniker Wilhelm Lorch beschrieben“, so Lüth. „Wir nennen ihn daher den Lorch-Ring. Er integriert die Auxin-Signale mit der mechanischen Eigenschaft zur Sicherung der Sporenkapsel.“

„Man muss ganz genau hinschauen“

Dass die Funktion von PINC lange unbekannt blieb, überrascht die Forschenden im Nachhinein nicht: „Dass Auxin beziehungsweise die Auxin-transportierenden PIN-Proteine eine Rolle für die Fruchtbarkeit von Moosen spielen, hatten wir nicht vermutet“, erklärt Reski. „Dazu kommt, dass die Wirkung sich auf mikroskopische Strukturen beschränkt – man muss also ganz genau hinschauen.“ Er hofft nun, dass weitere Forschung an Moosen und anderen Pflanzen auf diesen Ergebnissen aufbauen kann: „Daraus ergibt sich ein ganz neues Forschungsfeld“, so Reski.

Über den Exzellenzcluster CIBSS

Der Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis von biologischen Signalvorgängen über Skalen hinweg zu gewinnen – von den Wechselwirkungen einzelner Moleküle und Zellen bis hin zu den Prozessen in Organen und ganzen Organismen. Die Forscher*innen setzen das gewonnene Wissen ein, um Strategien zu entwickeln, mit denen sich Signale gezielt kontrollieren lassen. Sie erschließen dank dieser Technologien nicht nur neue Erkenntnisse in der Forschung, sondern ermöglichen auch Innovationen in der Medizin und den Pflanzenwissenschaften.

Über den Exzellenzcluster livMatS

Der Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (livMatS) der Universität Freiburg entwickelt lebensähnliche Materialsysteme, die von der Natur inspiriert sind. Die Systeme werden sich autonom an Umweltbedingungen anpassen, saubere Energie aus ihrer Umgebung gewinnen und unempfindlich gegen Beschädigungen sein oder diese selbstständig ausgleichen.

Faktenübersicht

• Originalpublikation: Volker M. Lüth, Christine Rempfer, Nico van Gessel, Oliver Herzog, Melanie Hanser, Marion Braun, Eva L. Decker, Ralf Reski (2022). A Physcomitrella PIN protein acts in spermatogenesis and sporophyte retention. In: New Phytologist. DOI: 10.1111/nph.18691.
• Ralf Reski ist Professor für Pflanzenbiotechnologie an der Universität Freiburg und Mitglied in den Exzellenzclustern Centre for Integrative Biological Signalling Studies (CIBSS) und Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS). Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der molekularen Biologie und Biotechnologie von Moosen. Website: https://plant-biotech.net/
• Die Studie wurde gefördert vom der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Pressebild zum Download

Das Protein PINC hat einen Einfluss auf die Motilität der Spermien (links) und die Verankerung der Sporenkapseln (rechts, dunkle Strukturen) im Moos Physcomitrella. Die fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen in der Mitte zeigen links das männliche Geschlechtsorgan und rechts eine junge Sporenkapsel. PINC ist magentafarben markiert. Bilder: Volker Lüth / Universität Freiburg

Kontakt
Annette Kollefrath-Persch
Hochschul- und Wissenschaftskommunikation
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
T +49 761 203 8909
annette.persch@zv.uni-freiburg.de