När en flercellig organism utvecklas, varje cell behöver veta sin plats i förhållande till alla andra celler. Detta innebär att celler måste kommunicera sinsemellan för att skapa mönster från vilka olika vävnader och celltyper uppstår. När det gäller djur, vi känner till signalerna och mekanismerna som driver dessa mönstringsprocesser.

Med växter är det annorlunda, eftersom flercelliga växter har utvecklats oberoende av flercelliga djur. Professor Marja Timmermans vid Tübingens Center for Plant Molecular Biology har arbetat med kollegor vid Cold Spring Harbor Laboratories i New York för att upptäcka att cellkommunikation under mönstring i växter utförs via en unik och intrikat mekanism. Växter använder "små RNA" som mobila signaler. Små RNA var tidigare kända för sin roll i försvarsmekanismer mot växtätare eller sjukdomspatogener, men som den nya studien visar ligger också bakom att celler i bladet antar rätt identitet i rum och tid. Resultaten av denna forskning har publicerats i det senaste numret av Utvecklingscell .

"Forskning om mönsterbildning i organismer har en rik historia i Tübingen, " påpekar Marja Timmermans. I början av sjuttiotalet Professorerna Hans Meinhardt och Alfred Gierer, sedan vid Max Planck Institute for Virus Research, arbetat fram grundläggande principer för hur mönster kan uppstå i en population av celler, och professor Christiane Nüsslein-Volhard, Direktör vid Max Planck Institute for Developmental Biology, belönades med Nobelpriset för sitt arbete med genetisk kontroll av mönstring i ägget från fruktflugan Drosophila 1995.

Kommunikation och mönstring hos flercelliga djur sker ofta via mobila signaler, som använder koncentrationsgradienter. Beroende på koncentrationen, och ofta på ett tröskelvärde, celler är specialiserade på olika uppgifter. Denna mekanism har nu visat sig hända även i växter, även om de använder andra signalkemikalier. Till skillnad från djurceller, växtceller kan kopplas samman via plasmabryggor, låter reglerande faktorer röra sig genom hela systemet och bidrar till mönstring.

Marja Timmermans och hennes kollegor följde upp ledtrådar som tydde på att små RNA kunde vara involverade i växtcellsmönster. Små RNA är korta molekylkedjor som perfekt matchar vissa reglerande delar av genetisk information i DNA eller RNA. De kan fästa sig där, vilket förhindrar att just dessa gener läses. Små RNA möjliggör finjusterad reglering av proteinproduktion och därmed även utvecklingsprocesser i cellerna.

Högpresterande mekanism för att vidarebefordra positioneringsinformation

Att använda en modellväxt för genetik, Arabidopsis eller bergkrasse, forskarna undersökte vilken roll de små RNA spelade i positioneringen och utvecklingen av det nya bladet. Genom att introducera konstgjorda små RNA, de ändrade koncentrationen av dessa koordinerande element och observerade hur cellerna i det växande bladet reagerade. "Det överraskande var att de små RNA:n kunde producera stabila mönster, " säger Timmermans. Precis som med mobilsignalkemikalierna i djur, de små RNA bildar en koncentrationsgradient. "Till skillnad från de konventionella utvecklingssignalerna, små RNA fungerar på ett mycket specifikt sätt, och de kan ingripa direkt i genaktivitet."

Små RNA kan därför reglera aktiviteten hos vissa gener beroende på deras placering – utan återkoppling från andra komponenter i processen. "Mobila små RNA ger en högpresterande mekanism för att förmedla positioneringsinformation. De kan utveckla exakta utvecklingsmönster, " Sammanfattar Timmermans.