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Brunnenlebermoose als Vertreter einer stammesgeschichtlich sehr alten Pflanzengruppe haben bereits die Fähigkeit, ihr Wachstum und ihre Art der Verzweigung nach dem Licht auszurichten. Wie sie das machen, und wie sich die Regulierung der Verzweigung von jener höherer Pflanzen unterscheidet, haben ÖAW-Forscher:innen im Fachjournal Current Biology publiziert.

Neben Blüten und Blättern prägt auch die Architektur der Verzweigung das Erscheinungsbild von Pflanzen. Verzweigungsmuster sind zwar genetisch angelegt, sind aber sehr anpassungsfähig, um auf Licht und Schatten adäquat reagieren zu können. Im Schatten fördern Pflanzen meist das Längenwachstum und verzichten auf Verzweigungen, um dadurch ihrer Energiequelle, dem Licht, entgegenzuwachsen zu können. Ein derartiger Anpassungsprozess wird über die Aktivität sogenannter Meristeme – teilungsfähige Bildungsgewebe – reguliert.

Wie diese Regulation bei einer stammesgeschichtlich sehr alten Pflanze, dem Brunnenlebermoos Marchantia polymorpha, funktioniert, hat eine Forschungsgruppe um Liam Dolan vom GMI – Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaft (ÖAW) untersucht. Lebermoose haben übrigens sehr wenig Ähnlichkeiten etwa mit Bäumen oder auch der Ackerschmalwand Arabidopsis: Sie überziehen den Boden mit gabelig verzweigten grünen „Lappen“ – eine Gestalt, die auf die Anfangszeit der Pflanzenevolution verweist, als Leitungs- und Stützelemente noch nicht „erfunden“ waren. Dennoch sind diese Pioniere der Pflanzenwelt bereits fähig, ihr Wachstum und ihre Verzweigung in Abhängigkeit vom Licht zu steuern.

LEBERMOOSE REDUZIEREN DIE VERZWEIGUNG IM SCHATTEN

Erstautorin Susanna Streubel, eine ehemalige Post-Doktorandin in der Dolan-Gruppe am GMI, und ihre Kolleg:innen haben nun das Bildungsgewebe an der Spitze von Marchantia polymorpha nicht nur unter die Lupe genommen, sondern vor allem auf die Aktivität bestimmter Genregulatoren  und micro-RNAs untersucht. An der Wachstumsspitze eines Brunnenlebermooses liegen – auch anders als bei höheren Pflanzen - zwei Meristeme eng nebeneinander, die eine gabelige Verzweigung der Pflanze verursachen.

Im Schatten wächst einer der beiden Arme nicht, und die gesamte Energie wird in den anderen Arm gesteckt, damit er es vielleicht bis ins Licht schafft, so Liam Dolan.

Normalerweise wachsen die beiden Gabeläste gleichberechtigt weiter. Wenn die Lichtsensoren (Phytochromsignalweg) allerdings Schatten melden, wächst einer der beiden Arme nicht, und die gesamte Energie wird in den anderen Arm gesteckt, damit er es vielleicht bis ins Licht schafft.

UNABHÄNGIGE EVOLUTION DER MOLEKULAREN REGULIERUNG?

Die Forschenden am GMI haben nun die Genexpressionsmuster in vollem Weißlicht und im Schatten verglichen. Dabei wurde klar, dass ein Transkriptionsfaktor namens MpSPL1 das Meristem inaktiviert, während eine lebermoosspezifische microRNA die Meristemaktivität fördert. Ein vergleichbarer antagonistische Mechanismus kommt auch bei der lichtgesteuerten Seitenverzweigung in Arabidopsis thaliana zum Einsatz, doch sind die regulierenden Gene und microRNAs evolutionär weit von denen entfernt, die jetzt im Lebermoos identifiziert wurden. Aufgrund dieser Ergebnisse spekuliert das Team, dass sich die molekularen Mechanismen, die die Verzweigung regulieren, unabhängig voneinander in Lebermoosen und höheren Pflanzen entwickelt haben könnten.

Streubel S., et al. "Meristem dormancy in Marchantia polymorpha is regulated by a liverwort-specific miRNA and a clade III SPL gene". Current Biology, 2023. DOI: 10.1016/j.cub.2022.12.062

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