The petal identity gene PhDEF has a major binding and regulatory action in the epidermis

Blumen sind nicht bloß statische Objekte der Schönheit; sie sind das Ergebnis eines präzisen biologischen Konstruktionsprojekts, bei dem jedes Teil zur richtigen Zeit am richtigen Ort erscheinen muss. Um zu verstehen, wie eine Pflanze weiß, dass sie ein Blütenblatt statt eines Blattes oder eine Staubblätter statt eines Stängels wachsen lassen soll, haben Wissenschaftler lange Zeit eine Gruppe von Meisteranweisungen untersucht, die als Homöotische Gene bekannt sind. Diese Gene fungieren als Bauplan und sagen den Zellen, zu welchem Typ von Organ sie werden sollen. Jahrzehntelang lag der Fokus dieser Forschung auf dem eigentlichen Beginn des Lebens einer Blüte, wenn diese Gene das Schicksal des Organs festlegen. Eine Blüte ist jedoch eine komplexe Struktur, die aus verschiedenen Zellschichten besteht, ganz so wie eine Wand eine Außenfläche und einen inneren Kern besitzt. Es blieb ein Rätsel, ob die Meisteranweisungen, die besagen „sei ein Blütenblatt“, in jeder einzelnen Schicht dieses Blütenblatts auf die gleiche Weise funktionieren oder ob die spezifische Schicht der Zelle beeinflusst, wie diese Anweisungen gelesen und umgesetzt werden.

Ein Forscherteam wandte seine Aufmerksamkeit der Petunie zu, um dieses Rätsel zu lösen, wobei es sich auf ein spezifisches Mastergen namens PhDEF konzentrierte, das dafür verantwortlich ist, Zellen anzuweisen, Teil eines Blütenblatts zu werden. Sie wussten aus früheren Arbeiten, dass die Blüte sehr anders aussieht, wenn dieses Gen in der äußeren Schicht des Blütenblatts fehlt, als wenn es in der inneren Schicht fehlt. Dies deutete darauf hin, dass das Gen je nach seinem Standort unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen könnte, aber der genaue Mechanismus blieb verborgen. Um der Wahrheit auf den Grund zu gehen, züchteten die Wissenschaftler Petunien mit spezifischen Mutationen, die das PhDEF-Gen entweder aus der äußeren Haut des Blütenblatts, der Epidermis, oder aus dem inneren Gewebe, dem Mesophyll, entfernten. Sie nutzten dann fortschrittliche Werkzeuge, um die genetische Aktivität einzelner Zellen zu lesen und exakt zu kartieren, wo das PhDEF-Protein innerhalb dieser Zellen an die DNA bindet.

Die Untersuchung ergab, dass das Gen nicht als einheitlicher Schalter über das gesamte Organ hinweg agiert. Stattdessen reguliert PhDEF zwei völlig unterschiedliche Sätze von Zielgenen, je nachdem, ob es in der äußeren Epidermis oder im inneren Mesophyll arbeitet. Die Forscher fanden heraus, dass der Einfluss des Gens in der äußeren Schicht weitahe weitaus mächtiger ist. In der Epidermis bindet das PhDEF-Protein mit einer viel größeren Häufigkeit und Intensität an die DNA und kontrolliert eine breite Palette von Genen, die die Oberfläche des Blütenblatts formen. Im Gegensatz dazu ist seine Bindung im inneren Mesophyll viel schwächer und beeinflusst eine andere, kleinere Gruppe von Genen. Die Studie zeigte auch, dass die Art und Weise, wie das Gen an die DNA bindet, hochgradig vielfältig ist; es nutzt eine komplexe Mischung aus Bindungsstellen, die spezifisch für bestimmte Schichten sind und andere, die gemeinsam genutzt werden, wodurch eine einzigartige regulatorische Signatur für jeden Zelltyp entsteht.

Diese Arbeit zeigt, dass die Identität einer Zellschicht genauso wichtig ist wie die Identität des Organs selbst. Dasselbe Mastergen, das damit beauftragt ist, ein Blütenblatt zu erschaffen, muss sein Verhalten anpassen, um in den spezifischen Kontext der Zelle zu passen, in der es sich befindet. Indem die Studie zeigt, dass die äußere und die innere Schicht eines Blütenblatts auf denselben genetischen Befehl auf unterschiedliche Weise reagieren, bestätigt sie, dass die Geschichte und Position einer Zellschicht direkt beeinflussen, wie die Anweisungen zum Bau einer Blüte ausgeführt werden. Die Ergebnisse liefern ein klareres Bild davon, wie komplexe Pflanzenstrukturen aufgebaut werden, indem sie über die Vorstellung eines einzelnen, statischen Regelsatzes hinausgehen und ein dynamisches System offenbaren, in dem der Ort die Funktion bestimmt.