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Vergleich der Entwicklung von Pflanzen und Tieren
Einleitung
Die Entwicklungsstrategien der Pflanzen haben sich über Millionen von Jahren separat von denen der Tiere entwickelt. Die beiden Reiche haben viele Gemeinsamkeiten, aber einige der Probleme und Lösungsstrategien sind jeweils einzigartig. Was also sind die fundamentalen Unterschiede zwischen der Entwicklung von Tieren und der von Landpflanzen?
 
 
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Vergleich

Modellorganismen

Tiere

Pflanzen

Multizellularität

Die Mechanismen der vielzelligen Entwicklung entstanden unabhängig in Pflanzen und Tieren.

Der letzte gemeinsame Vorfahr von Pflanzen und Tieren war ein einzelliger Eukaryot. Vergleiche auf dem Genomlevel zeigen, dass es nur eine geringe Homologie zwischen den Genen und Proteinen gibt, die den Bauplan von Pflanzen und Tieren bestimmen. Obwohl z.B. sowohl Homeobox- als auch MADS box-Proteine im letzten gemeinsamen Vorfahren von Pflanzen und Tieren existierten, kontrolliert die MADS box-Familie bei Pflanzen grundlegende regulatorische Prozesse der Entwicklung, jedoch aber nicht bei Tieren.

Zellbewegung

Tierische Zellen sind beweglich.

Bei Tieren können sich Gewebe leicht falten und gegeneinander verschieben. Bei der Gastrulation der Metazoen wird so z.B. ein dreifach geschichtetes System aufgebaut (Entoderm, Mesoderm und Ectoderm). Weiterhin können tierische Zellen autonom migrieren.

Pflanzliche Zellen sind unbeweglich.

Pflanzenzellen sind gefangen in festen Zellulosewänden, die die Bewegung von Zellen und Geweben verhindern. Sie entwickeln drei Hauptgewebesysteme (dermales, Grund- und Vaskulargewebe), jedoch ohne Gastrulation.

Rigidität des Körperbauplans

Der tierische Bauplan ist weitgehend vorherbestimmt.

Die Form eines Tieres in den verschiedenen Lebensabschnitten ist weitgehend von den Genen determiniert. Auf Änderungen ihrer Umgebung können sie durch Verhalten wie z.B. Bewegung sowohl kurz- als auch langfristig reagieren.

Die Pflanzenentwicklung wird hochgradig reguliert durch die Umgebung.

Da sie ihre Umgebung (in den allermeisten Fällen) nicht wechseln kann, muss sich die Pflanze an die Umgebung und die Vorgänge in ihr anpassen. Ihr Körperbauplan ist häufig variabel und durch sich wiederholende, oft iterative Strukturen bestimmt. Proportionen und Häufigkeit von Organen können variieren.

Multizelluläre Stadien

Bei mehrzelligen Tieren existiert im Lebenszyklus nur ein durchgehend mehrzelliges Stadium.

Hierbei handelt es sich um das, was wir "Tier" nennen. Viele Tiere durchgehen im Laufe ihres Lebens Transformationen, bei denen sich ihr Körperaufbau grundlegend ändert.

Der Lebenszyklus von Landpflanzen und vielen anderen Pflanzen beinhaltet sowohl ein diploides als auch ein haploides multizellulares Stadium.

Diese Art Lebenszyklus wird heterophasischer Generationswechsel genannt und führt zu zwei unterschiedlichen Körperbauplänen im Laufe des Lebenszyklus eines Individuums (Sporophyt und Gametophyt).

Meiose

Tierische Gameten werden direkt durch Meiose gebildet.

Eine mit einem pflanzlichen Gametophyten vergleichbare Form existiert nicht.

Pflanzen haben eine sporische Meiose und keine gametische Meiose.

Das bedeutet, dass die Meiose in Pflanzen Sporen produziert und nicht direkt Gameten. Pflanzliche Gameten werden erst nach darauf folgenden mitotischen Teilungen durch den Gametophyten gebildet.

Germline

Bei vielen Tieren werden Stammzellen bereits früh beiseite gelegt.

Dies vermindert die Ansammlung von Mutationen.

Pflanzliche Stammzellen werden nicht früh in der Entwicklung beiseite gelegt.

Bei einigen Pflanzen bleiben jedoch bestimmte Meristeme oder Meristembereiche inaktiver, bis der Gametophyt gebildet werden soll.

Morphogenese

Tiere entwickeln sich bis zum einem distinkten, fertigen Körperaufbau.

Im weiteren Verlauf ihres Lebens können zwar noch gewisse Umorganisationen stattfinden, neue Strukturen entstehen aber kaum mehr. Manche Tiere entwickeln sich schrittweise mehrere Formen hintereinander.

Pflanzen durchlaufen eine zeitlich erweiterte Morphogenese.

Pflanzen steuern nicht auf einen klar definierten Körperaufbau zu. Viele Pflanzen wachsen und entwickeln sich einfach immer weiter bis zum Tode. Ansammlungen sich aktiv teilender, undifferenzierter Zellen, genannt Meristeme, erlauben iteratives Wachstum und damit die Bildung immer neuer Organe und Strukturen im Laufe eines Pflanzenlebens. Sie ähneln den embryonalen Stammzellen der Tiere, existieren aber im Erwachsenenstadium noch weiterhin.

Plastizität

Tierische Zellen werden früh determiniert.

Bei der Bildung von Geweben werden tierische Zellen klar und meist irreversibel determiniert. Die Regeneration von Geweben geschieht aus Stammzellen, die Regeneration von ganzen Organen kommt nur bei wenigen Tierarten wie z.B. Ambystoma mexicanum vor.

Pflanzen haben eine enorme Plastiziät in ihrer Entwicklung.

Viele Pflanzenzellen sind hochgradig plastisch. Wenn zum Beispiel ein Spross von Herbivoren angefressen wurde, dann wachsen oft Blattmeristeme aus, um den verlorenen Teil zu ersetzen. Diese Strategie hat Ähnlichkeit mit der Regeneration, zu der manche Tiere fähig sind. Es können jedoch sogar ganze Pflanzen regeneriert werden aus einzelnen Zellen. Weiterhin wird die Form einer Pflanze (inklusive Verzweigung, Höhe und relativen Anteilen von vegetativen und reproduktiven Strukturen) stark beeinflusst durch Umweltfaktoren wie Licht und Temperatur, und eine große Vielfalt an Morphologien kann aus dem selben Genotyp resultieren. Das erstaunliches Ausmaß an Plastizität bei Pflanzen hilft dabei, ihren Mangel an Mobilität auszugleichen.

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Quellen
Meyerowitz, Plants compared to animals: the broadest comparative study of development, Science. 2002 Feb 22;295(5559):1482-5.
Scott F. Gilbert, Develpmental Biology, 9th ed., Sinauer Associates Inc. 2010.
Lewis Wolpert, Principles of Development 4th ed., Oxford University Press 2010.
Ottoline Leyser/Stephen Day, Mechanisms in Plant Development, Blackwell Science Ltd 2003.
Schopfer/Brennicke, Pflanzenphysiologie, 6. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag 2006
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