Germany
May 29, 2024
Researchers at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology have made a groundbreaking discovery about the molecular mechanisms that control seed development in flowering plants. This research, published in the prestigious journal Nature Plants, reveals how maternally expressed genes regulate the cellularization of the endosperm, a crucial tissue that supports the developing plant embryo and encompasses most of the worlds agricultural crop yield.
Endosperm: The Embryo's Lifeline
The endosperm is a vital tissue in seeds that provides essential nutrients to the growing plant embryo in the seed. During the early stages of seed development, the endosperm frequently grows without forming cell walls, creating one large cell filled with many nuclei. Subsequently, cell walls form around these nuclei in a process called the cellularization. This step is critical as it ensures the embryo can thrive on the endosperm's resources. If this process fails, the embryo dies.
Parental Conflict in Seed Development
Seed development is influenced by parental conflict over resource allocation to the seed. Female flowers are not particularly faithful and can be pollinated with pollen from many partners. Thus, the developing seeds, each holding paternal genes from different fathers but maternal genes from the same mother, compete for resources from the same mother plant. Paternal genes aim to maximize resource allocation towards the individual seed they inhabit, while maternal genes strive to distribute resources equally among all seeds. This is because the maternal parent is equally related to all her progeny, thus ensuring the overall survival of her offspring. Since delayed endosperm cellularization goes hand in hand with increased resource allocation, paternal genes delay cellularization while maternal genes promote it. The differential expression of paternal and maternal genes creates a balance that is crucial for determining seed size and viability.
A maternally expressed set of genes controls cellularization
The inside of two developing Arabidopsis thaliana seeds at 4 days after pollination. While the wild-type seed has not yet initiated endosperm cellularization, the seed with increased cARF activity is already completely cellularized. - © Nicolas Butel
The research team, led by Prof. Dr. Claudia Köhler at the Department Plant Reproductive Biology and Epigenetics, identified a family of genes called clustered auxin response factors (cARFs) controlling seed development. Lead author of this study, Dr. Nicolas Butel found that these cARFs are expressed only from the maternal genome and play a key role in triggering endosperm cellularization. By comparing seeds that had undergone cellularization with those that had not, the team pinpointed these cARFs as the critical factors initiating the process.
The researchers demonstrated that these cARFs are active just before cellularization, promoting this essential process. Initial data indicate that this set of genes may counter a paternally controlled hormone pathway in the seed, which promotes endosperm proliferation.
Controlling cellularization will help to control seed size and crop yield
Most of the agricultural yield worldwide consists of seeds. Understanding how and when endosperm cellularization happens has significant implications for agriculture, as the timing of this process affects seed size and viability. If cellularization happens too early, seeds may be too small; if it happens too late, seeds might be larger but less viable. By manipulating cARF expression, breeders could potentially enhance seed size and improve crop yields, offering exciting new possibilities for plant breeding.
This new finding represents a major advance in plant science, shedding light on the complex genetic interactions that govern seed development. It opens up new avenues for improving crop productivity by targeting these molecular mechanisms and holds promise for the future of plant breeding, with the potential to significantly impact global food security.
Elternstreit im Samenkorn
Wissenschaftler entdecken Schlüsselregulatoren, die elterliche Konflikte über die Ressourcenverteilung in Samen steuern.
Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie haben molekulare Mechanismen entdeckt, welche die Samenentwicklung bei blühenden Pflanzen steuern. Die in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Plants" veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, wie mütterliche Gene die Zellbildung des Endosperms regulieren, eines entscheidenden Gewebes in Samen, das den sich entwickelnden Pflanzenembryo ernährt und den Großteil der weltweiten Ernteerträge ausmacht.
Endosperm: Die Lebensader des Embryos
Das Endosperm ist ein lebenswichtiges Gewebe in Samen, das den wachsenden Pflanzenembryo mit wichtigen Nährstoffen versorgt. In den frühen Stadien der Samenentwicklung wächst das Endosperm häufig ohne Zellwände auszubilden, und es entsteht eine einzige große Zelle mit vielen Zellkernen. Anschließend bilden sich um diese Kerne Zellwände in einem Prozess, der als Zellularisierung bezeichnet wird. Dieser Schritt ist entscheidend, da er sicherstellt, dass der Embryo mit den Ressourcen des Endosperms versorgt werden kann. Schlägt dieser Prozess fehl, stirbt der Embryo.
Elterliche Konflikte in der Samenentwicklung
Die Entwicklung der Samen wird durch elterliche Konflikte über die Ressourcenverteilung für die Samen beeinflusst. Weibliche Blüten sind häufig promiskuitiv und können mit Pollen von vielen Partnern bestäubt werden. So konkurrieren die sich entwickelnden Samen, die jeweils väterliche Gene von verschiedenen Vätern, aber mütterliche Gene von derselben Mutterpflanze tragen, um die Ressourcen der Mutterpflanze. Väterliche Gene zielen darauf ab, die Ressourcenzuteilung für den einzelnen Samen zu maximieren, während mütterliche Gene bestrebt sind, die Ressourcen gleichmäßig auf alle Samen zu verteilen. Der Grund dafür ist, dass die Mutter mit all ihren Samen in gleicher Weise verwandt ist und so das Überleben all ihrer Nachkommen sichert. Da eine verzögerte Zellularisierung des Endosperms mit einer verstärkten Ressourcenzuteilung einhergeht, verzögern väterliche Gene die Zellularisierung, während mütterliche Gene sie fördern. Die unterschiedliche Aktivierung von väterlichen und mütterlichen Genen schafft ein Gleichgewicht, das für die Größe und Lebensfähigkeit der Samen entscheidend ist.
Eine mütterlicherseits kontrollierte Gruppe von Genen steuert die Zellularisierung
Das Innere von zwei sich entwickelnden Samen der Pflanze Arabidopsis thaliana 4 Tage nach der Bestäubung. Während der Wildtyp-Samen noch nicht mit der Zellularisierung des Endosperms begonnen hat, ist der Samen mit erhöhter cARF-Aktivität bereits vollständig zellularisiert. - © Nicolas Butel
Das Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Claudia Köhler, Direktorin der Abteilung Pflanzliche Reproduktionsbiologie und Epigenetik, identifizierte eine Familie von Genen, die die Samenentwicklung steuern. Der Hauptautor dieser Studie, Dr. Nicolas Butel, fand heraus, dass diese als Cluster vorkommenden Auxin Responsiven Faktoren (cARFs) nur im mütterlichen Genom aktiviert werden und eine Schlüsselrolle bei der Initiierung der Zellbildung im Endosperm spielen. Durch den Vergleich von Samen, die eine Zellularisierung durchlaufen hatten, mit solchen, bei denen dies nicht der Fall war, konnte das Team diese cARFs als die entscheidenden Faktoren identifizieren, die den Prozess aktivieren.
Die Forscher wiesen nach, dass diese cARFs kurz vor der Zellularisierung aktiv sind und diesen wichtigen Prozess fördern. Erste Daten deuten darauf hin, dass dieser Genkomplex einem väterlich kontrollierten Hormonweg im Samen entgegenwirken könnte, der das Endospermwachstum fördert.
Kontrolle über Zellularisierung bedeutet Kontrolle über die Samengröße und damit des Ernteertrags
Der größte Teil des weltweiten landwirtschaftlichen Ertrags besteht aus Samen. Zu verstehen, wie und wann die Zellularisierung im Endosperm stattfindet, hat erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft, da der Zeitpunkt dieses Prozesses die Größe und Lebensfähigkeit der Samen beeinflusst. Findet die Zellularisierung zu früh statt, sind die Samen möglicherweise zu klein; findet sie zu spät statt, sind die Samen zwar größer, aber weniger lebensfähig. Durch Veränderung der cARF-Aktivität könnten Züchter möglicherweise die Samengröße und die Ernteerträge verbessern, was spannende neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung bietet.
Diese neue Erkenntnis stellt einen großen Fortschritt in der Pflanzenwissenschaft dar, da sie Licht in die komplexen genetischen Interaktionen bringt, die die Samenentwicklung steuern. Sie eröffnet neue Wege zur Verbesserung der Produktivität von Nutzpflanzen, indem sie auf diese molekularen Mechanismen abzielt, und ist vielversprechend für die Zukunft der Pflanzenzüchtung, die das Potenzial hat, die weltweite Ernährungssicherheit erheblich zu beeinflussen.
Topics
Species
