Wissenschaftler stellen einen neuen grundlegenden Atlas des Pflanzenlebenszyklus vor

Wissenschaftler stellen einen neuen grundlegenden Atlas des Pflanzenlebenszyklus vor

Forscher des Salk Institute kartieren jeden Zelltyp und Entwicklungszustand über den gesamten Lebenszyklus der Modellpflanze Arabidopsis

LA JOLLA – Fast alles, was Sie über Pflanzen wissen, wurde zuerst bei einer Pflanze entdeckt, von der Sie wahrscheinlich noch nie gehört haben. Arabidopsis thaliana, auch Ackerschmalwand genannt, ist ein kleines, blühendes Unkraut, das die Pflanzenbiologie, wie wir sie kennen, maßgeblich geprägt hat. Arabidopsis diente im letzten halben Jahrhundert als repräsentative Pflanzenart in den meisten Pflanzenforschungen und hat uns gelehrt, wie Pflanzen auf Licht reagieren, welche Hormone das Pflanzenverhalten steuern und warum manche Pflanzen lange, tiefe Wurzeln ausbilden, während andere sie flach und breit wachsen lassen. Doch trotz ihres hohen Ansehens unter Pflanzenbiologen weltweit sind viele Aspekte des Lebenszyklus von Arabidopsis ein Rätsel geblieben.

Forscher des Salk Institute haben nun den ersten genetischen Atlas erstellt, der den gesamten Lebenszyklus von Arabidopsis abdeckt. Der neue Atlas – erstellt mithilfe detaillierter Einzelzell- und räumlicher Transkriptomik – erfasst die Genexpressionsmuster von 400,000 Zellen in verschiedenen Entwicklungsstadien, während Arabidopsis vom Samen zur reifen Pflanze heranwächst. Die öffentlich zugängliche Ressource wird für zukünftige Studien verschiedener Pflanzenzelltypen und Entwicklungsstadien sowie deren Reaktion auf Stress und Umweltreize von großem Nutzen sein.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Plants am 19. August 2025 wird dazu beitragen, Forschung und Entwicklung in den Bereichen Pflanzenbiotechnologie, Landwirtschaft und Umweltwissenschaften auszuweiten.

„Wir haben in unserem Verständnis der Pflanzenbiologie große Fortschritte gemacht, aber bis vor kurzem gab es einen technologischen Engpass, der uns daran hinderte, Zelltypen und die Gene, die sie einheitlich über alle Entwicklungsstadien hinweg exprimieren, umfassend zu katalogisieren“, sagt der leitende Autor Josef Ecker, Professor, Vorsitzender des Salk International Council für Genetik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Unsere Studie ändert das. Wir haben einen grundlegenden Datensatz zur Genexpression der meisten Zelltypen, Gewebe und Organe über das gesamte Spektrum des Lebenszyklus von Arabidopsis erstellt.“

So kartieren Sie eine Pflanze

In ihren vielen Jahren als Modellpflanze wurde Arabidopsis bereits in zahlreichen Experimenten untersucht. Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten an der Entschlüsselung des Genoms von Arabidopsis und kartieren, welche Gene in den einzelnen Zelltypen verschiedener Pflanzengewebe und -organe exprimiert werden. Mithilfe dieser schrittweisen Kartierungen können Wissenschaftler herausfinden, welche Gene die Identität und das Verhalten verschiedener Pflanzenteile steuern.

Eine effektive Methode zur Erstellung dieser Karten ist die Einzelzell-RNA-Sequenzierung. Diese genetische Sequenzierungstechnik untersucht die Produkte des Genoms – RNA-Stränge – und nicht den ursprünglichen DNA-Code. So können Wissenschaftler leicht erkennen, welche Gene in einer Zelle tatsächlich verwendet werden und wie viele. Genexpressionskarten helfen Forschern auch dabei, die verschiedenen Zelltypen innerhalb einer Art zu charakterisieren. Da jede Zelle eines Organismus den gleichen genetischen Code enthält, können verschiedene Zelltypen anhand des einzigartigen Musters der von ihnen exprimierten Gene identifiziert werden.

Mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung konnten Wissenschaftler zwar detaillierte Karten von Zelltypen erstellen, diese Karten beschränken sich jedoch häufig auf ausgewählte Organe oder Gewebe – beispielsweise werden nur die Wurzeln einer Pflanze betrachtet und Stamm, Blüten und Blätter ignoriert. Um von kleinen genetischen Karten zu einem komplexen Atlas zu gelangen, kombinierten die Salk-Forscher die Einzelzell-RNA-Sequenzierung mit einer weiteren Technologie: der räumlichen Transkriptomik.

Bessere Technologie, bessere Karten

Bei der Einzelzell-RNA-Sequenzierung müssen Forscher die relevanten Gewebe separieren und die Zellen isoliert verarbeiten. Mit der räumlichen Transkriptomik können Forscher genomische Karten von Pflanzen erstellen, wie sie in der realen Welt im Gewebekontext vorkommen. Struktur, Form und Lage von Zellen und Geweben in der gesamten Pflanze bleiben während des Sequenzierungsprozesses erhalten. Das Ergebnis ist ein aufschlussreicher Einblick in die Identität von Zellen in mehreren Geweben und Organen gleichzeitig.

„Was mich an dieser Arbeit am meisten begeistert, ist, dass wir jetzt Dinge sehen können, die wir vorher einfach nicht sehen konnten“, sagt Co-Erstautorin Natanella Illouz-Eliaz, Postdoktorandin in Eckers Labor. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten beobachten, wo bis zu tausend Gene gleichzeitig aktiv sind, im realen Gewebe- und Zellkontext der Pflanze. Das ist nicht nur an sich schon faszinierend, sondern hat uns bereits zu Entdeckungen geführt, wie zum Beispiel der Entdeckung von Genen, die an der Samenkapselentwicklung beteiligt sind und von denen niemand zuvor etwas wusste. Diese Daten bieten noch so viel mehr, und dieses Gefühl der Möglichkeit ist es, was mich wirklich begeistert.“

Der Einzelzell- und räumliche Transkriptomatlas umfasst zehn Entwicklungsstadien der Arabidopsis, vom Samen im Boden bis zur Blüte. Über 10 Zellen wurden über diesen Lebenszyklus hinweg erfasst, was die erstaunliche Vielfalt der Zelltypen verdeutlicht, die in nur einem Organismus vorkommen können.

Wohin uns die neue Karte führt

Durch die Betrachtung des gesamten Lebenszyklus von Arabidopsis und nicht nur einer einzelnen Momentaufnahme haben die Forscher bereits eine überraschend dynamische und komplexe Gruppe von Faktoren entdeckt, die für die Regulierung der Pflanzenentwicklung verantwortlich sind. Sie entdeckten außerdem viele neue Gene, deren Expression und Funktion in einzigartigen Zelltypen nun weiter erforscht werden können.

„Diese Studie wird ein leistungsstarkes Instrument zur Hypothesenfindung im gesamten Bereich der Pflanzenbiologie sein“, sagt Co-Erstautor Travis Lee, Postdoktorand in Eckers Labor. „Unsere benutzerfreundliche Webanwendung macht diesen Lebenszyklusatlas für die Pflanzenwissenschaftler leicht zugänglich, indem sie einfach auf unsere Website navigiert. Wir freuen uns darauf, von den vielen Einzelzellgenomstudien zu lernen, die sie nun ermöglichen wird.“

Die Forscher hoffen, dass diese neue Ressource –derzeit kostenlos online verfügbar– wird eine tiefere Erforschung der Entwicklung von Pflanzenzellen ermöglichen, dazu beitragen zu erklären, wie Pflanzen auf genetische und umweltbedingte Störungen reagieren, und das Gebiet der Pflanzenbiologie insgesamt voranbringen.

Zu den weiteren Autoren zählen Jiaying Xu, Bruce Jow und Joseph Nery von Salk sowie Tatsuya Nobori, früher bei Salk und derzeit am Sainsbury Laboratory im Vereinigten Königreich.

Die Arbeit wurde vom Human Frontiers Science Program (Nr. LT000661/2020-L), der George E. Hewitt Foundation for Medical Research, dem Weizmann Institute of Science, den National Institutes of Health (NIGMS K99GM154136) und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt.

DOI: 10.1038 / s41477-025-02072-z