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11.10: Stammwachstum - Biologie

11.10: Stammwachstum - Biologie


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Das Wachstum bei Pflanzen tritt auf, wenn sich Stängel und Wurzeln verlängern. Die Längenzunahme von Spross und Wurzel wird als bezeichnet Primärwachstum, und ist das Ergebnis der Zellteilung im Sprossapikalmeristem. Sekundäres Wachstum ist durch eine Zunahme der Dicke oder des Umfangs der Pflanze gekennzeichnet und wird durch Zellteilung im seitlichen Meristem verursacht. Sekundäres Wachstum oder „Holz“ macht sich bei Gehölzen bemerkbar; es kommt bei einigen zweikeimblättrigen Pflanzen vor, kommt aber sehr selten bei einkeimblättrigen Pflanzen vor.

Einige Pflanzenteile wie Stängel und Wurzeln wachsen während des gesamten Lebens einer Pflanze weiter: ein Phänomen, das als unbestimmtes Wachstum bezeichnet wird. Andere Pflanzenteile, wie Blätter und Blüten, zeigen ein bestimmtes Wachstum, das aufhört, wenn ein Pflanzenteil eine bestimmte Größe erreicht.

Primäres Wachstum

Das meiste Primärwachstum findet an den Spitzen oder Spitzen von Stängeln und Wurzeln statt. Primäres Wachstum ist das Ergebnis von sich schnell teilenden Zellen in den apikalen Meristemen an der Spross- und Wurzelspitze. Die nachfolgende Zellverlängerung trägt ebenfalls zum Primärwachstum bei. Das Wachstum von Trieben und Wurzeln während des Primärwachstums ermöglicht es Pflanzen, kontinuierlich Wasser (Wurzeln) oder Sonnenlicht (Sprossen) zu suchen.

Der Einfluss der apikalen Knospe auf das gesamte Pflanzenwachstum wird als apikale Dominanz bezeichnet, die das Wachstum von Achselknospen verringert, die sich entlang der Seiten von Zweigen und Stängeln bilden. Die meisten Nadelbäume weisen eine starke apikale Dominanz auf, wodurch die typische konische Weihnachtsbaumform entsteht. Wenn die apikale Knospe entfernt wird, beginnen die Achselknospen Seitenzweige zu bilden. Diese Tatsache machen sich Gärtner zunutze, wenn sie Pflanzen beschneiden, indem sie die Spitzen der Zweige abschneiden und so das Auswachsen der Achselknospen fördern und der Pflanze eine buschige Form verleihen.

Sehen Sie sich dieses BBC Nature-Video an, das zeigt, wie Zeitraffer-Fotografie das Pflanzenwachstum mit hoher Geschwindigkeit einfängt.

Sekundäres Wachstum

Die Zunahme der Stammdicke durch Sekundärwachstum ist auf die Aktivität der seitlichen Meristeme zurückzuführen, die bei krautigen Pflanzen fehlen. Laterale Meristeme umfassen das vaskuläre Kambium und bei Gehölzen das Korkkambium (siehe Abbildung 1).

Das Gefäßkambium befindet sich direkt außerhalb des primären Xylems und im Inneren des primären Phloems. Die Zellen des Gefäßkambiums teilen sich und bilden nach innen sekundäres Xylem (Tracheiden und Gefäßelemente) und nach außen sekundäres Phloem (Siebelemente und Begleitzellen). Die beim Sekundärwachstum auftretende Verdickung des Stängels ist auf die Bildung von sekundärem Phloem und sekundärem Xylem durch das vaskuläre Kambium sowie die Wirkung von Korkkambium zurückzuführen, das die zähe äußerste Schicht des Stängels bildet. Die Zellen des sekundären Xylems enthalten Lignin, das für Widerstandsfähigkeit und Stärke sorgt.

Bei Gehölzen ist Korkkambium das äußerste seitliche Meristem. Es produziert Korkzellen (Rinde), die eine wachsartige Substanz namens Suberin enthalten, die Wasser abstoßen kann. Die Rinde schützt die Pflanze vor physischen Schäden und hilft, den Wasserverlust zu reduzieren. Das Korkkambium produziert auch eine Zellschicht, die als Phelloderm bekannt ist und vom Kambium nach innen wächst. Das Korkkambium, die Korkzellen und das Phelloderm werden zusammenfassend als die periderm. Das Periderm ersetzt die Epidermis bei reifen Pflanzen. Bei einigen Pflanzen hat das Periderm viele Öffnungen, bekannt als Linsen, die es den inneren Zellen ermöglichen, Gase mit der Außenatmosphäre auszutauschen (Abbildung 2). Diese versorgt die lebenden und stoffwechselaktiven Zellen der Rinde, des Xylems und des Phloems mit Sauerstoff.

Jahresringe

Durch die Aktivität des Gefäßkambiums entstehen Jahresringe. Während der Wachstumsperiode im Frühjahr haben Zellen des sekundären Xylems einen großen Innendurchmesser und ihre primären Zellwände sind nicht stark verdickt. Dies wird als Frühholz oder Frühlingsholz bezeichnet. Während der Herbstsaison entwickelt das sekundäre Xylem verdickte Zellwände und bildet Spätholz oder Herbstholz, das dichter ist als Frühholz. Dieser Wechsel von Früh- und Spätholz ist hauptsächlich auf eine saisonale Abnahme der Anzahl von Gefäßelementen und eine saisonale Zunahme der Anzahl von Tracheiden zurückzuführen. Es entsteht ein Jahresring, der als Kreisring im Querschnitt des Stängels zu erkennen ist (Bild 3). Eine Untersuchung der Anzahl der Jahresringe und ihrer Beschaffenheit (wie Größe und Zellwandstärke) kann das Alter des Baumes und die vorherrschenden klimatischen Bedingungen zu jeder Jahreszeit aufdecken.


Wachstums- und Pflanzenhormone

Alle lebenden Organismen beginnen in der gleichen Form: als einzelne Zelle. Diese Zelle wird sich teilen und die resultierenden Zellen werden sich weiter teilen und in Zellen mit verschiedenen Rollen differenzieren, die sie innerhalb des Organismus erfüllen müssen. So ist das Leben und Pflanzen sind nicht anders. Das Pflanzenwachstum kann determiniert oder unbestimmt sein, was bedeutet, dass einige Pflanzen einen Wachstumszyklus haben, dann ein Wachstumsstopp, Gewebeabbau und dann Tod (denken Sie an eine Rettichpflanze oder eine Tomatenpflanze), während andere (denken Sie an einen riesigen Zedernbaum) ) wird wachsen und über Hunderte von Jahren aktiv bleiben. Eine Tomatenpflanze ist ziemlich vorhersehbar und soll ein bestimmtes Wachstum haben, während der Zedernbaum ein unbestimmtes Wachstumspotenzial hat. Unter Entwicklung versteht man das Wachstum und die Differenzierung von Zellen in Gewebe, Organe und Organsysteme. Das alles beginnt wieder mit einer einzigen Zelle.


Ein neuer Mechanismus hinter der kontinuierlichen Stammzellaktivität in Pflanzen

BILD: (Lila = Xylemzellen, Grün = Phloemzellen, Blau = Gefäßstammzellen). A. Gefäßentwicklung während des Sekundärwachstums der Pflanze. B. Das Gefäßzell-Induktionskultursystem 'VISUAL'. C. Das konstruierte Gefäß. mehr sehen

Quelle: Furuya et al., 2021, Die Pflanzenzelle.

Einer interuniversitären Forschungsgruppe ist es gelungen, das Genexpressionsnetzwerk hinter dem Gefäßentwicklungsprozess in Pflanzen aufzubauen. Dies erreichten sie durch bioinformatische Analysen mit der Gewebekulturplattform „VISUAL“ (*1), die vaskuläre Stammzellen (*2) aus Blattzellen generiert. In diesem Netzwerk entdeckten sie auch einen neuen BES/BZR-Transkriptionsfaktor (*3), BEH3, der vaskuläre Stammzellen reguliert. Darüber hinaus beleuchteten sie ein neuartiges vaskuläres Zellerhaltungssystem, bei dem BEH3 mit anderen Transkriptionsfaktoren aus derselben BES/BZR-Familie konkurriert, um die Vermehrung und Differenzierung von vaskulären Stammzellen zu stabilisieren.

Die gemeinsame Forschungsgruppe bestand aus dem wissenschaftlichen Forscher FURUYA Tomoyuki und dem Associate Professor KONDO Yuki et al. (von der Graduate School of Science der Universität Kobe), Professor SATAKE Akiko von der Universität Kyushu, die speziell ernannte Professorin TANOKURA Masaru und die speziell ernannte außerordentliche Professorin MIYAKAWA Takuya (von der Graduate School of Agricultural and Life Sciences der Universität Tokio) und die außerordentliche Professorin YAMORI Wataru (of das Institut für nachhaltige Agrarökosystemdienste der Universität Tokio).

Die Forscher hoffen, weitere regulatorische Faktoren für Stammzellen zu identifizieren, die zu unserem Verständnis der molekularen Grundlagen der kontinuierlichen Stammzellaktivität in Pflanzen beitragen werden.

Diese Forschungsergebnisse wurden in der amerikanischen Fachzeitschrift Pflanzenwissenschaften veröffentlicht Die Pflanzenzelle am 01.06.2021.

  • Die Forscher extrahierten aus umfangreichen Genexpressionsdatensätzen insgesamt 394 Gene, die für vaskuläre Stammzellen spezifisch sind. Unter diesen entdeckten sie BEH3, einen neuen regulatorischen Faktor für Stammzellen, der zur BES/BZR-Familie von Transkriptionsfaktoren gehört.
  • Sie entdeckten, dass BEH3 im Gegensatz zu den anderen BES/BZR-Transkriptionsfaktoren fast keine funktionellen Domänen besitzt und die Aktivität dieser anderen Faktoren kompetitiv hemmt.
  • Die Forschungsgruppe zeigte, dass diese kompetitive Beziehung zwischen BES/BZR-Transkriptionsfaktoren die Vermehrung und Differenzierung von vaskulären Stammzellen stabilisiert und beleuchtet das regulatorische System, das die kontinuierliche Aktivität vaskulärer Stammzellen aufrechterhält.

Pflanzen nehmen ihre Form an, indem sie ihre Stammzellen selbst replizieren und diese Stammzellen so differenzieren, dass sie spezielle Funktionen für den Aufbau von Pflanzenteilen wie Organen und Geweben haben. Im Gegensatz zu Tieren regenerieren und wachsen Pflanzen weiterhin, indem sie während ihres gesamten Lebens Stammzellen produzieren. Bäume wie Cryptomeria können beispielsweise eine lange Lebensdauer haben (die Jomon-Zeder auf der japanischen Insel Yakushima ist mindestens 2000 Jahre alt) und jedes Jahr fördern sie Sekundärwachstum, was zu einem weiteren Baumring um ihre Stämme führt. Dieses sekundäre Wachstum findet innerhalb einer Region des Meristemgewebes statt, die als Kambiumschicht bezeichnet wird, wo sich vaskuläre Stammzellen vermehren und in Xylemzellen (*4) und Phloemzellen (*5) differenzieren, wodurch der Rumpf breiter werden kann. Mit anderen Worten, Pflanzen müssen ihr ganzes Leben lang kontinuierlich vaskuläre Stammzellen produzieren, um weiter zu wachsen, und es ist für sie lebenswichtig, das Gleichgewicht zwischen Stammzellvermehrung und -differenzierung aufrechtzuerhalten.

In den letzten Jahren wurden Studien mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurden untersucht, wie die Vermehrung und Differenzierung von Stammzellen aus Sicht der Genetik, Biowissenschaften und Informatikforschung reguliert wird. Der Mechanismus, durch den Pflanzen das angemessene Gleichgewicht der Stammzellen regulieren und aufrechterhalten, muss jedoch noch verstanden werden.

Forschungsmethodik und Ergebnisse

Um den Prozess der Differenzierung vaskulärer Stammzellen in Xylem- und Phloemzellen zu analysieren (Abbildung 1), entwickelte die Arbeitsgruppe von Associate Professor Kondo et al. das Gewebekultursystem „VISUAL“ zur künstlichen Gewinnung von Stammzellen aus Blattzellen. VISUAL hat viele Vorteile, die es für die Forschung an vaskulären Stammzellen geeignet machen, zum Beispiel ist es einfach, Pflanzen, denen eine bestimmte Genfunktion entfernt wurde (zB Mutanten), genetisch zu analysieren, und es ist auch möglich, den zeitlichen Verlauf von vaskulären Stammzellen zu beobachten Unterscheidung. In dieser Studie sammelten die Forscher Daten zu mehreren Mutanten und führten groß angelegte Analysen der Genexpression zu verschiedenen Zeitpunkten durch. Sie führten eine Gen-Co-Expressionsnetzwerkanalyse (*6) auf Ähnlichkeiten in den Expressionsmustern durch, um die Beziehung zwischen verschiedenen Genen zu bewerten. Anhand dieser Analyse gelang es ihnen, die charakteristischen Gengruppen in Xylemzellen, Phloemzellen und vaskulären Stammzellen zu identifizieren (Abbildung 1). Mit VISUAL konnte diese Forschungsgruppe zuvor zeigen, dass die BES/BZR-Transkriptionsfaktoren BES1 und BZR1 eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von vaskulären Stammzellen spielen. Diesmal identifizierten sie einen weiteren BES/BZR-Transkriptionsfaktor, BEH3, in der Gengruppe der vaskulären Stammzellen durch Netzwerkanalyse und untersuchten auch seine vaskuläre Stammzellsuppressionsfunktion.

Als nächstes untersuchten die Forscher die Gefäßbildung mit Mutanten, bei denen die Funktion von BEH3 entfernt wurde. Sie fanden heraus, dass die Mutanten im Vergleich zum Wildtyp (nicht mutierte Pflanze) große Unterschiede in der Gefäßgröße aufwiesen und kamen zu dem Schluss, dass BEH3 vaskuläre Stammzellen stabilisiert. Die Forschergruppe hatte zuvor festgestellt, dass die Stärkung der Funktion von BES1 (die die Differenzierung von Gefäßzellen fördert) zu einer Abnahme der Anzahl der Gefäßzellen führte, jedoch fanden sie heraus, dass bei einer Stärkung der Funktion von BEH3 das Gegenteil eintritt und die Anzahl der Gefäßstammzellen zunahm. Bei weiteren Untersuchungen stellte die Forschungsgruppe fest, dass BEH3 zwar an das gleiche DNA-Motiv (*7, BRRE-Motiv) wie die anderen BES/BZR-Transkriptionsfaktoren binden konnte, die Fähigkeit von BEH3 jedoch, die Expression nachgelagerter Gene zu regulieren, deutlich schwächer war. Diese Ergebnisse zeigten, dass BEH3 die Aktivität anderer BES/BZR-Transkriptionsfaktoren behindert (Abbildung 2), und die Forscher schlossen aus dieser Beziehung, dass die Funktion von BEH3 in vaskulären Stammzellen der der Faktoren derselben Familie, einschließlich BES1, entgegengesetzt ist. Ein mathematisches Modell wurde verwendet, um diese kompetitive Beziehung zwischen BEH3 und den anderen BES/BZR-Transkriptionsfaktoren zu verifizieren und zu simulieren, und die Ergebnisse zeigten, dass das Vorhandensein von BEH3 in vaskulären Stammzellen zur Stabilisierung der Gefäßgröße beiträgt (Abbildung 3).

Im vaskulären Stammzell-Genexpressionsnetzwerk dieser Forschungsgruppe werden viele wichtige Genkandidaten vermutet, die zum Verständnis der vaskulären Entwicklung und Funktion beitragen werden. Es ist zu hoffen, dass die durch diese Studie gewonnenen wertvollen Informationen die Gefäßforschung beschleunigen werden. Darüber hinaus wird die weitere Aufklärung der Beziehungen zwischen BEH3 und anderen BES/BZR-Transkriptionsfaktoren und ihrer jeweiligen Unterschiede unser Verständnis des Mechanismus vertiefen, durch den Pflanzen das Gleichgewicht zwischen Stammzellvermehrung und -differenzierung aufrechterhalten.

In Zukunft könnte dieses Wissen zu Techniken der Biomasseproduktion und anderen Bereichen beitragen, die ein stabiles Pflanzenwachstum im großen Maßstab erfordern.

VISUAL steht für 'Vascular cell Induction culture System Using Arabidopsis Leaves'. Es ist ein In-vitro-Kultursystem, das eine einfache Induktion von Gefäßzellen ermöglicht.

2. Gefäßstammzellen:

In Pflanzenknollen und Wurzeln werden diese Stammzellen zu Zellen im Xylem- und Phloemgewebe, die die fibrovaskulären Bündel bilden. Sie bilden das Kambium, eine Schicht aus meristematischem Gewebe zwischen Xylem und Phloem.

3. BES/BZR-Transkriptionsfaktoren:

Eine Familie von Proteinen, die als Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden und die Genexpression regulieren. Diese spezifische Transkriptionsfaktorfamilie kommt nur in Pflanzen vor und insgesamt sechs Mitglieder finden sich in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Diese Faktoren spielen auch außerhalb der Gefäßentwicklung eine wichtige Rolle, da sie auch auf das Pflanzenhormon Brassinosteriod ansprechen.

Zellen, aus denen das Xylemgewebe besteht. Das Xylem besteht neben anderen Elementen aus Gefäßen (die das Wasser und die Mineralien, die von den Wurzeln aufgenommen werden, zu den Trieben und Blättern der Pflanze über dem Boden leiten) und Xylemfasern (die den Stängel der Pflanze stützen).

Die Hauptzelle im Phloemgewebe. Das Phloem besteht aus Phloemzellen, die organische Nährstoffe wie Photosyntheseprodukte und Begleitzellen transportieren, die diesen Prozess unterstützen.

6. Gen-Co-Expressions-Netzwerkanalyse:

Expressionsdaten in großem Maßstab zu mehreren Arten von Tausenden von Genen (einschließlich mutanter und temporaler Gene) werden verwendet, um das Ausmaß zu identifizieren, in dem die Expressionsmuster jedes Gens einander ähneln. Diese Methode ermöglicht die Visualisierung von Beziehungen zwischen Genen basierend auf der Ähnlichkeit ihrer Expressionsmuster.

Darunter versteht man ein spezifisches DNA-Sequenzmuster bestehend aus zahlreichen Basen in einer Region zur Genexpressionsregulation. Transkriptionsfaktoren binden in Abhängigkeit von der spezifischen Sequenz an die DNA und regulieren so die Gentranskription.

Diese Forschung wurde hauptsächlich an der Universität Kobe mit Unterstützung der Universität Tokio und der Universität Kyushu durchgeführt. Es erhielt folgende Fördermittel:

JSPS KAKENHI-Stipendien (Stipendiennummern JP 17H05008 und JP 20K15815 für Kondo Yuki und Stipendiennummern JP 19K21189 und JP 20K15813 für Furuya Tomoyuki).

JSPS/MEXT Wissenschaftliche Forschung zu innovativen Bereichen 'Pluripotente Stammzellen der Pflanze' (Co-Forscher Kondo Yuki, JP 17H06476)

JSPS/MEXT Wissenschaftliche Forschung zu innovativen Bereichen 'Zyklen und Modulationen' (Principal Investigator Kondo Yuki, JP 20H05407)

Titel: "Gene Co-Expression Network Analysis identifiziert BEH3 als Stabilisator der sekundären Gefäßentwicklung bei Arabidopsis" DOI: 10.1093/plcell/koab151

Autoren: Tomoyuki Furuya, Masato Saito, Haruka Uchimura, Akiko Satake, Shohei Nosaki, Takuya Miyakawa, Shunji Shimadzu, Wataru Yamori, Masaru Tanokura, Hiroo Fukuda, Yuki Kondo* (*Korrespondierende Autorin)

  • Tomoyuki Furuya (Wissenschaftlicher Forscher, Graduate School of Science, Universität Kobe) (Sonderbeauftragter, Graduate School of Science, The University of Tokyo*)
  • Masato Saito (Sonderbeauftragter, Graduate School of Science, The University of Tokyo *)
  • Haruka Uchimura (Masterstudentin, Graduate School of Science, The University of Tokyo*)
  • Akiko Satake (Professor, Fakultät für Naturwissenschaften, Kyushu University)
  • Shohei Nosaki (Sonderbeauftragter, Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo*)
  • Takuya Miyakawa (Project Associate Professor, Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo)
  • Shunji Shimadzu (Doktorand, Graduate School of Science, The University of Tokyo) (Betreute Forschung, Graduate School of Science, Universität Kobe)
  • Wataru Yamori (Associate Professor, Institute for Sustainable Agro-Ecosystem Services, Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo) (Associate Professor, Graduate School of Science, The University of Tokyo *)
  • Masaru Tanokura (Sonderbeauftragter, Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo)
  • Hiroo Fukuda (Professor, Fakultät für Bioumweltwissenschaften, Kyoto University of Advanced Science) (Professor, Graduate School of Science, The University of Tokyo*)
  • Yuki Kondo (Associate Professor, Graduate School of Science, Kobe University) (Assistenzprofessor, Graduate School of Science, The University of Tokyo*)

*Zum Zeitpunkt der Recherche/vorherige Position.

Tagebuch: Die Pflanzenzelle

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Knotenanatomie von Pflanzen (mit Diagrammen) | Botanik

Der unten genannte Artikel bietet einen Überblick über die Knotenanatomie von Pflanzen. Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie Folgendes: 1. Knotenanatomie in Blattspuren und Blattlücken 2. Knotenanatomie in Weizen (Monocot) Stamm 3. Verzweigungsspuren und Verzweigungslücken 4. Schließen von Blattlücken.

Knotenanatomie in Blattspuren und Blattlücken:

Ein Trieb trägt Knoten’ und Internodien. An jedem Knoten werden Teile des Gefäßsystems in das Blatt abgelenkt, das an diesem Knoten befestigt ist. Ein Leitbündel, das sich im Stängel befindet, aber direkt mit einem Blatt verbunden ist, um den unteren Teil der Gefäßversorgung dieses Blattes darzustellen, wird als Blattspur bezeichnet.

Die Blattspur ist wie folgt definiert: Die Blattspur ist ein Leitbündel, das das Gefäßsystem des Blattes mit dem des Stängels verbindet. Eine Blattspur erstreckt sich zwischen der Basis eines Blattes und dem Punkt, an dem sie vollständig mit anderen Teilen des Gefäßsystems im Stängel verschmolzen ist. Jedem Blatt können eine oder mehrere Blattspuren zugeordnet sein.

Im Spross eines Pteropsids (Samenpflanzen und Farne), wo die Blattspur in ein Blatt divergiert, scheint es, als ob eine Porierung des Gefäßzylinders des Stängels nach einer Seite abgelenkt wäre. Unmittelbar oberhalb der divergierenden Spur wird im Gefäßbereich des Stammes für eine begrenzte Strecke ein parenchymatöses Gewebe anstelle von Gefäßgewebe differenziert.

Die parenchymatösen Bereiche im Gefäßsystem des Stängels, die sich adaxial zu den divergierenden Blattspuren befinden, werden als Blattlücken oder Lakunen bezeichnet. Tatsächlich sind diese Lücken keine Unterbrechungen in der Kontinuität des Gefäßsystems der Achse. Seitliche Verbindungen treten zwischen den Geweben oberhalb und unterhalb der Lücke auf. In Querschnitten einer Achse in Höhe einer Blattlücke ähnelt die Lücke einem interfaszikulären Bereich.

Auffällig sind die Lücken bei den Farnen und Angiospermen, wo das Gefäßsystem in den internodalen Teilen des Stängels einen mehr oder weniger durchgehenden Zylinder bildet. Bei einigen Farnen sind die Blätter so dicht gedrängt, dass sich die an den aufeinanderfolgenden Knoten gebildeten Lücken überlappen und der Gefäßzylinder stark zergliedert erscheint.

Die Querschnitte solcher Stängel zeigen einen Kreis von Leitbündeln mit den parenchymatösen Blattlücken. Bei bestimmten Farnen, Gymnospermen und den meisten Angiospermen besteht das Gefäßsystem aus anastamosierenden Strängen. In solchen Fällen konfluiert das oberhalb der divergierenden Blattspur auftretende Parenchym mit den interfaszikulären Bereichen, wodurch die Erkennung der Lücken unsicher wird.

Es gibt drei häufige Arten von Knoten in den Dikotyledonen. Der Knoten mit einer einzelnen Lücke und einer einzelnen Spur zu einem Blatt wird als unilakunar bezeichnet, der Knoten mit drei Lücken und drei Spuren zu einem Blatt (ein Median und zwei seitliche) wird als Trilacunar bezeichnet und der Knoten mit mehreren bis vielen Lücken und Spuren zu ein Blatt wird als Multilakunar bezeichnet.

Das am meisten akzeptierte Konzept ist, dass die Trilacunar-Bedingung in den Dikotyledonen primitiv ist und dass die Unilakunar- und die Multilakunar-Bedingung davon abgeleitet wurden. Mehrere einkeimblättrige Pflanzen besitzen Blätter mit umhüllenden Basen und Knoten mit einer großen Anzahl von Blattspuren, die separat um den Stängel gelegt sind.

Bei Farnen variiert die Anzahl der Spuren zu einem Blatt von eins bis viele, aber sie sind immer mit einer einzigen Lücke verbunden. Bei Gymnospermen ist ein unilakunärer Knoten üblich.

Es wird angenommen, dass die Blattspurbeziehungen an den Knoten von phylogenetischer Bedeutung sind, und daher befasst sich die Knotenanatomie mit dem Studium der Systematik und Phylogenie von Angiospermen.

Knotenanatomie in Weizen (Monocot) Stamm:

Beim Weizenstängel verlaufen die Leitbündel durch das Internodien und die Blattscheide nahezu parallel. In der Nähe des Knotens ist die Blattscheide beträchtlich dick und erreicht ihre maximale Dicke knapp über ihrer Vereinigung mit dem Stängel.

Andererseits hat der Stängel den kleinsten Durchmesser oberhalb der Verbindung mit der Blattscheide. Der Stängel ist im Internodien hohl und am Knoten massiv. In höheren Lagen bleibt die Scheide auf einer Seite offen, direkt in der Nähe des Knotens. In den Bündeln der Blattscheide sind massive kollenchymatöse Bündelkappen vorhanden.

Unmittelbar unterhalb der Verbindung von Blattscheide und Stängel sind die kleineren Blattspuren im peripheren Teil der Achse verlängert und die größeren Blattspuren werden Teil des inneren Strangzylinders.

Die oberhalb des Blattansatzes liegenden internodalen Bündel nehmen knapp über dem Knoten einen horizontalen und schrägen Verlauf (Abb. 38.7 C, D) und orientieren sich im Knoten und darunter zu einer periphereren Position (Abb. 38.7 D, E).

Diese horizontalen und schrägen Bündel verzweigen und verschmelzen unterschiedlich, und ihre Zahl nimmt ab. Die großen Blattspuren und die Bündel vom Internodien oberhalb des Blattansatzes bilden den inneren Zylinder der Bündel des nächst tieferen Internodiums (Abb. 38.7 E).

In diesem Zylinder sind etwa die Hälfte der Bündel Blattspuren vom nächstgelegenen Blatt oben und die andere Hälfte der Bündel stammt vom Internodium oberhalb des Blattansatzes (Abb. 38.7 E). Die peripheren Bündel sind meist Blattspuren. Das auffälligste Merkmal von Grashalmen ist das Vorhandensein von Querbündeln in den Knotenbereichen.

Knotenanatomie in Verzweigungsspuren und Verzweigungslücken:

Die primäre Gefäßversorgung der Seitenäste erfolgt ebenfalls aus dem Gefäßsystem der Hauptachse, meist in Form von zwei Bündeln, seltener einem Bündel. Diese Stränge sind als Zweigspuren oder Ramularspuren bekannt (Eames und Mac Daniels, 1947).

Dikotyledonen und Gymnospermen haben gewöhnlich zwei Zweigspuren, die das Gefäßsystem des Zweigs mit dem des Hauptstamms verbinden. Bei Monokotyledonen besteht die Verbindung des Achseltriebs mit dem Hauptstamm aus vielen Strängen.

Die Verzweigungsspuren werden innerhalb der Hauptachse verlängert und Anhängsel werden durch ein primäres Gefäßsystem zusammengebunden.

Besitzt der Ast zwei Spuren, so vereinigen sich diese Bündel in kurzer Distanz zu einem vollständigen Gefäßzylinder, wenn eine Spur auftritt, besitzt dieser Strang meist die Querschnittsform einer hufeisenförmigen Struktur mit der Öffnung nach unten, und der Gefäßzylinder der Verzweigung wird durch das Schließen der Öffnung gebildet, wenn die Verzweigungsspuren austreten.

Bei den meisten Gefäßpflanzen ist die Auswärtspassage einer Verzweigungsspur mit der Bildung eines Bruchs im Gefäßzylinder um und über dem Ausgangspunkt der Spur verbunden. Diese Öffnung wird als Verzweigungslücke bezeichnet, die immer eine Verzweigungsspur begleitet.

Verzweigungslücken sind bei allen Gefäßpflanzen vorhanden, die ein Mark besitzen. Bei Protostelen treten die Lücken jedoch nicht auf, da es kein Mark gibt. Zweiglücken sind im Allgemeinen niedriger als Blattlücken und erstrecken sich über größere Entfernungen in der Achse.

Knotenanatomie – Schließen von Blattlücken:

Die Merkmale, die die Knotenstruktur charakterisieren, verewigen sich nicht im Sekundärkörper. Ein Kambium entwickelt sich im Parenchym der Blattlücke und bildet Gefäßgewebe in Kontinuität mit denen, die die Lücke begrenzen. Dieses Phänomen wird als Lückenschluss bezeichnet.

Die Parenchymzellen in der Nähe des Spaltrandes verwandeln sich zuerst in Kambium und diejenigen im inneren Teil später. Dieser Vorgang vollzieht sich allmählich, und das Spaltparenchym bleibt als solches im Sekundärkörper erhalten, bis das Kambium über die gesamte tangentiale Breite des Spalts differenziert ist.

In der Blattspur selbst finden während des Sekundärwachstums komplizierte Veränderungen statt. Das primäre Xylem wird vom sekundären Gewebe vergraben, während das Phloem nach außen gedrückt wird. Der obere Teil der Spur divergiert nach außen und kreuzt die Ebene des Kambiums. Der Teil des Kambiums, der sich im Spaltbereich oberhalb der Spur differenziert, produziert Gefäßgewebe zwischen Spur und Gefäßzylinder.

Dieses an Menge zunehmende Gewebe übt einen Druck auf die Spur aus und verursacht schließlich deren Ruptur. Der Bruch ist mit Parenchym gefüllt, das in Kambium umgewandelt wird und das Kambium des unteren Teils der Spur mit dem in der Lücke gebildeten verbindet. Nachdem dieses Kambium einige sekundäre Gewebe gebildet hat, wird das Ende der Spur unterhalb des Bruchs in sekundäres Xylem eingebettet (Abb. 38.8 E).

Das obere abgetrennte Ende wird nach außen getragen und kann mit der Zeit durch die Tätigkeit des Periderms zusammen mit der Rinde abgeworfen werden. Da das Kambium innerhalb der Spur selbst das Spurenphloem nach außen drückt, besteht der vergrabene Teil der Spur nur aus Xylem.


🔗 Größe der offenen Daten

Wie viele Daten gibt es von den Datenquellen, für die wir Daten haben? Der Ausdruck der Datengröße ist für verschiedene Quellen etwas unterschiedlich, daher ist die untenstehende Darstellung etwas heterogen, vermittelt aber dennoch, dass es viele offene Daten gibt.

QuelleWertTyp
PLOS137358Artikel
eBird205970Checklistenaufzeichnungen
Dryade4186Datenpakete
GBIF578Datenherausgeber
DataCite3618096Datensätze
Neotoma2202656Datensätze
Neotoma11617Datensätze
OpenSNP589Genotypen
BHL139561Produkte
BHL155891133Namen
eBird2923886Beobachtungen
BHL43968949Seiten
NPN2537095Phänologische Aufzeichnungen
Baumbasis1515Phylogenetische Bäume
OpenSNP2140939SNPs
COL132Quelldatenbanken
GBIF420222471Aufzeichnungen über das Vorkommen von Arten
COL1352112Taxonomische Namen
ES IST624282Taxonomische Namen
Neotoma20152Taxonomische Namen
BHL77258Titel
OpenSNP1230Benutzer

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CBSE-Schnellüberarbeitungshinweise
CBSE Klasse-11 Biologie
KAPITEL-15
Pflanzenwachstum und Entwicklung Klasse 11 Anmerkungen Biologie

  • Wurzel, Stängel, Blätter, Blüten, Früchte und Samen entstehen geordnet in Pflanzen. Die Wachstumssequenz ist wie folgt:
  • Pflanzen vervollständigen ihre vegetative Phase, um in die reproduktive Phase überzugehen, in der Blüten und Früchte für die Fortsetzung des Lebenszyklus der Pflanze gebildet werden.
  • Entwicklung ist die Summe zweier Prozesse Wachstum und Unterscheidung. Intrinsische und extrinsische Faktoren steuern den Wachstums- und Entwicklungsprozess von Pflanzen.
  • Wachstum ist eine dauerhafte oder irreversible Zunahme von Trockengewicht, Größe, Masse oder Volumen von Zellen, Organen oder Organismen. Es ist innerlich oder intrinsisch in Lebewesen.
  • Bei Pflanzen wird das Wachstum durch Zellteilung, Erhöhung der Zellzahl und Zellvergrößerung erreicht. Wachstum ist also ein quantitatives Phänomen, das in Relation zur Zeit gemessen werden kann.
  • Pflanzenwachstum ist im Allgemeinen unbestimmt aufgrund der Fähigkeit des unbegrenzten Wachstums während des gesamten Lebens. Meristemgewebe sind an der bestimmten Stelle des Pflanzenkörpers vorhanden.
  • Das Pflanzenwachstum, bei dem dem Pflanzenkörper aufgrund von Meristem immer neue Zellen hinzugefügt werden, wird als bezeichnet offene Wachstumsform.
  • Apikalmeristem wurzeln und apikal schießen Meristem sind für das primäre Wachstum und die Verlängerung des Pflanzenkörpers entlang der Achse verantwortlich.
  • Interkalarmeristem an den Knoten gelegen produzieren Knospen und neue Zweige in Pflanzen.
  • Sekundäres Wachstum in Pflanzen ist die Funktion des seitlichen Meristems, das vaskuläre Kambium und Korkkambium ist.

Wachstum ist messbar

  • Auf zellulärer Ebene ist Wachstum die Zunahme der Protoplasmamenge. Es ist schwierig, die Zunahme der Protoplasmamenge zu messen, aber die Zunahme der Zelle, der Zellzahl und der Zellgröße kann gemessen werden.
  • Der zur Messung des Wachstums verwendete Parameter ist die Zunahme des Frischgewichts, des Trockengewichts, der Länge, der Fläche sowie des Volumens und der Zellzahl. Nicht alle Parameter werden für jede Art von Wachstum verwendet.
  • Gründungsphase wird auch als Phase der Zellbildung oder Zellteilung bezeichnet. Es tritt an der Wurzelspitze, der Triebspitze und anderen Regionen mit meristematischem Gewebe auf. Die Atmungsrate ist in den Zellen, die sich in der Formationsphase einer Mitoseteilung unterziehen, sehr hoch.
  • Phase der Erweiterung- neu gebildete Zellen, die in der formativen Phase produziert werden, werden vergrößert. Durch die Vergrößerung von Zellen entstehen auch Vakuolen, die das Zellvolumen weiter erhöhen.
  • Die Zellvergrößerung erfolgt in alle Richtungen mit maximaler Dehnung in leitenden Geweben und Fasern.
  • Reifephase- die vergrößerten Zellen entwickeln sich durch strukturelle und physiologische Differenzierung zu speziellen oder besonderen Zelltypen.
  • Wachstumsrate- Die Zunahme des Wachstums pro Zeiteinheit wird als Wachstumsrate bezeichnet. Die Wachstumsrate kann arithmetisch oder geometrisch sein.
  • Arithmetisches Wachstum- die Wachstumsrate ist konstant und die Zunahme erfolgt in arithmetischer Progression - 2,4,6,8 ……. Es wird in Wurzel- und Sprossverlängerung gefunden.

Länge nach der Zeit = Länge am Anfang + Wachstumsrate x Zeit.

  • Geometrisches Wachstum- hier ist das anfängliche Wachstum langsam und nimmt danach schnell zu. Jede Zelle teilt sich. Die Tochterzellen wachsen und teilen sich und die Enkelzellen führen zu einem exponentiellen Wachstum.
  • Geometrisches Wachstum ist bei einzelligen Organismen üblich, wenn sie in nährstoffreichem Medium wachsen.
  • Die Sigmoid-Wachstumskurve besteht aus einer schnell teilenden exponentiellen Phase und einer stationären Phase. Es ist typisch für die meisten lebenden Organismen in ihrer natürlichen Umgebung.

Exponentielles Wachstum kann wie folgt dargestellt werden:

W1 =W0e rt. W1 = Endgröße, W0 = Anfangsgröße, r = Wachstumsrate, t = Wachstumszeit und e ist die Basis des natürlichen Logarithmus (2,71828).

  • Ein quantitativer Vergleich zwischen dem Wachstum des lebenden Systems kann durch
  1. Die Messung und der Vergleich des Gesamtwachstums pro Zeiteinheit wird als bezeichnet absolute Rate.
  2. Das Wachstum eines gegebenen Systems pro Zeiteinheit, ausgedrückt auf einer gemeinsamen Basis, heißt relative Wachstumsrate.

Bedingung für Wachstum

  • Notwendige Wachstumsbedingungen sind Wasser, Sauerstoff und essentielle Elemente. Wasser wird für die Zellvergrößerung und die Aufrechterhaltung der Turgidität benötigt. Wasser liefert auch ein Medium für enzymatische Bedingungen.
  • Die Protoplasmabildung benötigt Wasser sowie Mikro- und Makronährstoffe und dient als Energiequelle.
  • Optimal temperature and other environmental conditions are also essential for growth of the plant.
  • Cells produced by apical meristem become specialized to perform specific function. This act of maturation is called Unterscheidung.
  • The living differentiated cells that have lost ability of division can regain the capacity of division. Dieses Phänomen heißt dedifferentiation. For example interfascicular cambium and cork cambium.
  • Dedifferentiated cells mature and lose the capacity of cell division again to perform specific functions. Dieser Vorgang heißt redifferentiation.

Entwicklung

It is the sequence of events that occur in the life history of cell, organ or organism which includes seed germination, growth, differentiation, maturation, flowering, seed formation and senescence.

Sequence of development process in plant cell

  • Different structures develop in different phases of growth as well as in response to environment. The ability to change under the influence of internal or external stimuli is called Plastizität. Heterophylly in cotton plant is the example of plasticity.

Plant Growth Regulators are simple molecules of diverse chemical composition which may be indole compounds, adenine derivatives or derivatives of carotenoids.

  • Auxin was isolated by F.W. Went from tips of coleoptiles of oat seedlings.
  • The ‘bakane disease’ of rice seedlings is caused by fungal pathogen Gibberella fujikuroi. E. Kurosawa found that this disease is caused due to presence of Gibberellin.
  • Skoog and Miller identified and crystallized the cytokinesis, promoting active substance called kinetin.

Auxin- was first isolated from human urine. It is commonly indole-3-acetic acid (IAA). It is generally produced at stem and root apex and migrate to site of action.

  1. Cell enlargement.
  2. Apical dominance
  3. Zellteilung
  4. Inhibition of abscission
  5. Induce Parthenocarpy

Gibberellins- are promotery PGR found in more than 100 forms named as , , …. . The most common one is (Gibberellic Acid).

  1. Cell elongation.
  2. Breaking of dormancy.
  3. Early maturity
  4. Seed germination.

Cytokinins- the plant growth hormone is basic in nature. Most common forms include kinetin, zeatin, etc. They are mainly synthesized in roots.

  1. Cell division and cell differentiation.
  2. Essential for tissue culture.
  3. Overcome apical dominance.
  4. Promote nutrient mobilisation.

Ethylene – it is a gaseous hormone which stimulates transverse or isodiametric growth but retards the longitudinal one.

  1. Inhibition of longitudinal growth.
  2. Fruit ripening
  3. Senescence
  4. Promote apical dominance

Abscisic Acid – it is also called stress hormone or dormin. It acts as a general plant growth inhibitor. Abscisic acid is produced in the roots of the plant and terminal buds at the top of plant.

  1. Bud dormancy
  2. Leaf senescence
  3. Induce Parthenocarpy
  4. Seed development and maturation.

Photoperiodism- the effect of photoperiods or day duration of light hours on the growth and development of plant, especially flowering is called Photoperiodism. On the basis of photoperiodic response, flowering plants have been divided into the following categories-

  1. Short Day Plants– they flower when photoperiod is below a critical period (continuous duration of light which must not be exceeded in short day plants and should always be exceeded in long day plants in order to bring them flower). Example- Xanthium, Rice, Sugarcane, Potato etc.
  2. Long Day Plants– these plants flower when they receive long photoperiod of light, greater than critical period. Example- Radish, Barley, Lettuce.
  3. Day Neutral Plants – the plant can blossom throughout the year. Example- Bean, Wild Kidney.

Vernalisation– is the process of shortening of the juvenile or vegetative phase and hastening of flowering by cold treatment. The stimulus of Vernalisation is perceived by meristematic cells.

  • Vernalisation helps in shortening of vegetative period of plant and brings about early flowering.
  • It is applicable to temperate plants like Wheat, Rice, Millets, etc.

Growing hope: New organs? Not yet, but stem cell research is getting closer

Kidney (Image by Lori O'Brien/Andy McMahon Lab, illustration by Mira Nameth)

If you lose a limb, it’s lost for life. If you damage a kidney, you won’t grow a new one. And if you have a heart attack, the scars are there to stay.

But regenerative medicine is poised to change all of this. Building new tissue is within sight, and USC scientists are among the field’s pioneers.

More than 100 scientists, engineers and doctors are united under what’s called the USC Stem Cell initiative. They’re already moving stem cells out of the lab and toward patient care. The potential is exciting: USC researchers have contributed to clinical trials of stem cell approaches to treating colorectal cancer, spinal cord injury, vision problems, HIV/AIDS and Alzheimer’s disease. They’ve also used stem cells to uncover important insights about kidney disease, ALS, arthritis, Zika virus, birth defects and a wide variety of injuries.

Major funders and USC donors have provided hundreds of millions of dollars to support the work. That investment and vote of confidence enables USC Stem Cell scientists to collaborate with other leading universities, biotech companies and key partners to translate their laboratory discoveries into patient cures.

It hasn’t been easy. Scientists are evaluating some stem cell-based therapies through clinical trials, but so far, few treatments have made it to patients. Beyond scientific inspiration, taking treatments from lab bench to patient bedside requires immense amounts of time, money and, sometimes, a bit of luck. It also means working together with other scientists across boundaries.

“Regenerative medicine is still a relatively young field, and it’s still early days,” says Andy McMahon, director of the Eli and Edythe Broad Center for Regenerative Medicine and Stem Cell Research at USC. “When it comes to that final phase of translating stem cell discoveries into clinical therapies for patients, it won’t be individual universities working in isolation. It will be multi-institutional collaborations with our neighbors that will transform medicine over the course of the 21st century.”

The Kidney in Miniature

So far, scientists haven’t been able to create complete adult human kidneys—they’re too complex.

At USC, though, McMahon’s lab is coaxing stem cells to organize themselves into simplified, mini versions of this elaborate organ.

Each healthy human kidney is made up of a million cellular filters called nephrons, which pull wastes out of blood, among other responsibilities. McMahon and his colleagues are making tiny organs (scientists dub them “organoids”) composed of a single nephron—a convenient size for testing potential drugs.

With help from USC’s Chang Stem Cell Engineering Facility, McMahon’s lab has successfully produced organoids carrying the same genetic mutation that causes polycystic kidney disease, the most common genetic cause for kidney failure. Because kidney organoids develop cysts similar to those seen in the disease, scientists can observe how the disease progresses and develop therapies that may halt or reverse symptoms.

Zhongwei Li, an assistant professor of medicine, and stem cell biology and regenerative medicine, is also hard at work growing kidney organoids. There are only 18,000 donor kidneys available each year for more than 400,000 patients who need them, Li explains. He ultimately wants to create organs for transplantation using special stem cellsprogenitor cells that could develop and organize themselves into kidney tissue.

“USC is a perfect place to study the kidney,” says Li, an assistant professor of medicine, and stem cell biology and regenerative medicine.

Healing Hearts

/>Heart tissue (Image by Megan McCain, illustration by Mira Nameth)

If you worry about dying in an earthquake, shark attack or lightning strike, don’t waste your energy. You’re far more likely to die of heart disease. Every year, about 610,000 people in the U.S. die of heart disease. That’s one in four deaths. And heart disease is the leading cause of death worldwide.

Cardiac tissue that has died after a heart attack doesn’t come back—it just forms a scar. Studies have shown that doctors can safely inject stem cells into damaged heart tissue, but there’s no clear sign that these injections restore the heart.

At USC, two stem cell researchers are tackling heart repair from other directions.

In the lab of Henry Sucov, researchers aim to harness the heart’s innate ability to heal. They’re studying a regenerative type of heart muscle cell called a mononuclear diploid cardiomyocyte. Newborns have large numbers of these cells, but adults have relatively few, so the adult body has trouble regenerating heart tissue after injury.

When they looked for these cells in mice, they found that some mice had more of these cells than other mice did. They traced that variation to a gene called Tnni3k. Their research suggests that blocking the gene might boost numbers of regenerative cells.

If scientists can create prescription drugs to modulate the activity of the gene, these medications could encourage more regenerative cells to develop in the heart, says Sucov, a professor of stem cell biology and regenerative medicine, integrative anatomical sciences, and biochemistry and molecular biology. “This could improve the potential for regeneration in adult hearts, as a preventive strategy for those who may be at risk for heart failure.”

In Megan McCain’s lab at the USC Viterbi School of Engineering, researchers are building human heart tissue. They not only study how the heart tissue works, but also use it to test how it responds to potential drugs.

The work poses problems that call for the mindset of an engineer. It turns out that heart muscle cells don’t fully mature in the typical laboratory environment for growing cells—a petri dish filled with warm, nutritious liquid. To develop properly, heart muscle cells need to get some exercise by contracting in the rhythm of a beating heart. To do this, they need structure and resistance, which the lab’s researchers provide in the form of a tiny scaffold called a chip.

This “heart on a chip” reproduces natural human heart tissue on a small scale in the lab.

Ultimately, McCain hopes the technology contributes to precision medicine. Scientists could test medications on a patient’s own heart tissue on a chip. Eventually, this could enable doctors to customize dosing and choose drugs that pose the fewest side effects to each patient.

Stronger Bones

/>Mouse ribs (Image by Francesca Mariani, illustration by Mira Nameth)

According to common wisdom, bones heal. In reality, every year about 5 million people in the U.S. sustain fractures that fail to mend. From elderly people undergoing total hip or knee replacements to soldiers injured by explosions or gunshots, many patients have bone defects that are too severe to repair. To complicate matters, everything from diabetes to the normal aging process can undermine bone’s ability to heal.

USC researchers hope to one day use stem cells to build new bone in patients with severe or non-healing injuries. Jay R. Lieberman, who chairs the Department of Orthopaedic Surgery at the Keck School, teamed up with Gage Crump and Francesca Mariani, two faculty members from the Department of Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, to advance the science.

The team has made a promising start in the lab. They discovered that healing bone requires a special type of repair cell, which they named an ossifying chondrocyte. Now the researchers are studying a substance that stimulates these repair cells to fix bone.

Unlocking Genetic Diabetes

Nearly 10 percent of Americans, or 30 million people, have a form of diabetes. Diabetes happens when glucose levels rise in the blood. Insulin, a hormone made by the pancreas, helps the body pull glucose from blood and into the cells where it’s needed. But sometimes the pancreas doesn’t make enough insulin or the body can’t use insulin well.

Oftentimes, in diabetes, the special cells in the pancreas that make insulin—called beta cells—are attacked by the immune system or wear out. Researchers worldwide are looking at ways to rebuild them.

At Children’s Hospital Los Angeles (CHLA), researcher Senta Georgia aims to use stem cells to help patients with genetic forms of diabetes.

Her lab is focusing on a young CHLA patient with a rare genetic disease known as enteric anendocrinosis. The disease causes chronic diarrhea because patients lack certain gastrointestinal cells that produce hormones, and they eventually lose their beta cells as well, causing diabetes.

With the help of USC’s Chang Stem Cell Engineering Facility, Georgia’s team took stem cells derived from the patient’s skin and edited the cells’ genome to fix the genetic mutation behind the problem. They then used these genetically corrected stem cells to generate new insulin-producing cells.
The goal is to eventually transplant these insulin-producing cells back into the patient to reverse the diabetes—providing a tailor-made cell replacement therapy.

“We hope that this study can create a precedent for how to generate new insulin cells for patients with genetic forms of diabetes,” says Georgia, assistant professor of pediatrics and stem cell biology and regenerative medicine at the Keck School of Medicine of USC.

Fresh Faces

“Our faces are our identities, and the first thing you see when you look at someone is his or her face,” says Yang Chai, director of the Center for Craniofacial Molecular Biology at the Herman Ostrow School of Dentistry of USC. But when someone has a cleft lip or other facial deformity or trauma, it can be devastating.

Chai aims to find treatments for some of the most common craniofacial birth defects and injuries. To do that, he has tapped into a rich source of stem cells: the pulpy interior of the teeth.

Fueled by a $12 million grant from the National Institutes of Health (NIH), he’s working with researchers from the Keck School of Medicine and institutions from Stanford to City of Hope on the project.

They’ve already used these stem cells to generate the unique, high-density bone that makes up the skull. If these stem cells can effectively repair four-centimeter holes in the skulls of animals, the research project will advance the treatment into a clinical trial for patients with bone deficiencies due to injuries, dental problems or birth defects.

One birth defect USC scientists are tackling is called craniosynostosis. The rare-but-serious problem occurs when sections of a baby’s skull fuse together at joints called sutures, restricting the developing brain and disrupting vision, sleep, eating and IQ. To treat this condition, growing children must undergo repeated skull-expanding surgeries—which are as dangerous and painful as they sound.

Chai is one of at least a dozen USC stem cell researchers working to help these children. His lab has already identified a critical stem cell population that normally resides in the skull sutures, and discovered how to manipulate these stem cells to form new sutures in mice.

“This is something that truly has to be done through a collaborative effort,” Chai says. “USC provides the best environment for collaborative research, which has led to NIH funding and publications as the result of these collaborations. These collaborative studies will fundamentally change the way to provide health care to our patients.”


We're Another Step Closer to Growing Replacement Body Organs

Scientists just made a significant step toward the goal of growing replacement human organs by identifying that a protein called Meox1, found in stem cells, is central to promoting muscle growth.

Figuring out how to grow our own replacement organs would bring about a health revolution. It would bring an end to the desperate tightrope of life on organ donor lists, saving the lives of thousands of people every year who can't have an organ transplant or who die while waiting for one.

Researchers from Monash University in Australia found the link by studying zebrafish, fast-growing little fish that are native to Southeast Asia and which are often used as a model for humans because of our biological similarities.

Just like us, zebrafish have two eyes, a mouth, and a brain, plus muscles, blood, bones, and teeth. Both humans and zebrafish have many of the same organs, including a kidney and a heart, and 70 percent of human genes are also found in zebrafish.

Now these zebrafish have revealed some of the secrets of how stem cells and Meox1 work.

"Prior to our work in this field, we didn't even know that these growth-specific stem cells existed or how they were used," says lead researcher Peter Currie. "Just knowing that they exist leads us to the possibility of orchestrating them, controlling them, or reactivating them to regrow damaged tissue."

Scientists have long studied organ growth in lab conditions, but how stem cells produce so much living tissue in the body has remained a mystery – and until that's solved we won't be able to grow our own replacement organs.

The study found evidence of clonal drift in zebrafish, which means the stem cells weren't dividing and growing at random, but pushing forward a small number of cloned stem cells to help muscles to grow.

In other words, only a few specific stem cells are used to grow most of the required organ tissue, and Meox1 is helping to pick those cells.

We're still some way off being able to grow hearts and livers in the lab on demand as soon as someone needs them, but scientists now have a better understanding of how our molecular gears might be shifting and whirring to produce more tissue inside the body.

This process of how organ growth gets regulated by stem cells is "one of last frontiers of developmental biology" the researchers say.

Further down the line, shining a light on these mechanisms could also help us fight damage to the body caused by diseases such as cancer.

Scientists are making steady progress in this field – last year researchers from the US managed to successfully regenerate working human heart tissue, albeit still using cells from a donated organ. Now we're another step closer, thanks to the zebrafish.


KYK, DHA, and DL were supported by the NIH grants R01HL136333, R01HL134880, and R01AI141716 (KYK) and T32HL092332 (DL).

Daniel Hormaechea-Agulla and Duy T. Le contributed equally to this work.

Mitgliedschaften

Section of Infectious Diseases, Department of Pediatrics, Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA

Daniel Hormaechea-Agulla, Duy T. Le & Katherine Y. King

Program in Immunology, Graduate School of Biomedical Sciences, Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA

Duy T. Le & Katherine Y. King

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