Die Rolle von Zellgeometrie, Wachstum und Mechanik bei der Zellteilung in Pflanzen

• Antragsteller: Dr. Richard S Smith
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318879394

Da Pflanzenwachstum symplastisch geschieht, müssen Pflanzen zur Formbildung Zellwachstum und teilung präzise regulieren. Eine Theorie geht davon aus, dass Pflanzen Grundregeln für symmetrische Zellteilungen haben, welche als solche Teilungen definiert sind, bei denen die Tochterzellen das gleiche Schicksal haben. Die vorgeschlagenen Regeln wurden auf Zellgeometrie, Wachstumsrichtung oder mechanische Belastungen gegründet, auch wenn scheinbar keine davon das Zellverhalten in der gesamten Pflanze erklären kann. Da diese Faktoren miteinander in Bezug stehen, erscheint eine zugrundeliegende Standardregel für alle Zellen wahrscheinlich, und die beobachteten Unterschiede gehen auf unterschiedliche Wachstumsraten, auf die von der Zelle wahrgenommene mechanische Umgebung oder auf andere Parameter zurück. Weitere Beobachtungen weisen darauf hin, dass nicht-symmetrische oder formative Unterteilungen oftmals nicht der Grundregel folgen und dass es eine Beziehung zwischen geometrischer Asymmetrie und der Asymmetrie des Tochterzellschicksals gibt. In diesem Projekt werden wir mit einem computerbasierten, morphodynamischen Ansatz Wachstum und Zellteilung in 3D quantifizieren, um auf diese Weise festzustellen, welche Parameter die Zelle für die Zellteilungsorientierung nutzt. Wir werden ein mechanisches 3D Modell des untersuchten Gewebes erstellen, um die von der Zelle wahrgenommenen Belastungen zu bestimmen und wie diese in die Orientierung der Zellteilungsebene integriert werden können. Anschließend werden wir das Modell erweitern, um zu verstehen, wie Regeln für formative Zellteilungen verändert werden könnten.Wir werden hauptsächlich zwei biologische Systeme nutzen, die von anderen Partnern der Forschergruppe entwickelt werden. Die Seitenwurzelbildung in Arabidopsis ist der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Maizel, die Entwicklung der Arabidopsis-Ovule und Integumente der Arbeitsgruppe Schneitz. Beide Systeme eignen sich gut für die Untersuchung von grundlegender Morphogenese, da sie mit relativ wenigen Zellen beginnen, ein variables und oft stark anisotropisches Wachstum haben und in der Spezifizierung von nicht-trivialen Formen mit mehreren unterschiedlichen Zelltypen resultieren. Die Systeme sind vielversprechend für vollständige 3D Bildgebung und, im Falle der Seitenwurzelbildung, für vollständige 3D Zeitrafferaufnahmen. Wir werden diese Systeme nutzen, um die Grundregeln für die Zellteilung in Arabidopsis Seitenwurzeln und Ovulen zu bestimmen mit dem Ziel, die zahlreichen bereits beobachteten, unterschiedlichen, aber offenbar miteinander verbundenen Zellteilungsregeln zusammenzuführen. Wir werden untersuchen, wie formative Zellteilungen in das Modell integriert werden können, und ob sie nur eine einfache Variante des zugrundeliegenden Mechanismus darstellen. Wir werden auch die Beziehung zwischen Geometrie, Asymmetrie und unterschiedlichem Zellschicksal in diesen Systemen untersuchen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2581: Morphodynamik der Pflanzen