12. oktober 2010

7. Planters cellebiologi og organisering

Planteceller ligner på mange måder dyreceller – og herunder menneskeceller. Men på afgørende punkter er de forskellige.
En af dem kan ses med det blotte øje, nemlig den grønne farve, der stammer fra små organeller i planteceller, der kaldes for grønkorn eller chloroplaster. Chloroplasterne er ansvarlige for planters evne til at danne kulhydrat med sollys som energikilde og kuldioxid og vand som råstoffer. På den måde udgør de hele grundlaget for såvel vores fødevareproduktion som vores brændstof (kul, olie og gas fra undergrunden). Planters opbygning af kulhydrat ved hjælp af lys kaldes for fotosyntese, en proces hvor kuldioxid og vand bygges sammen ved hjælp af bl.a. enzymet rubisco under afgivelse af ilt - og under forbrug af energi fra solen. Enzymet rubisco findes i store mængder i chloroplasterne, og man kan derfor roligt fastslå, at det er det mest udbredte enzym på jorden.


Plantecelle med gengivelse af udvalgte strukturer (illustration: Peter Waldorph)

Planteceller adskiller sig også fra dyreceller på et punkt, der har betydning for planters evne til at holde sig oprejst. Hver celle er omgivet af en cellevæg, der består af fibre, hvoraf cellulose og lignin er de polymerer, der mængdemæssigt udgør størstedelen (lignin bliver produceret i den mere modne celle). Cellulose er opbygget af lange kæder (polymerer) af sukker, der er sat sammen på en sådan måde, at de fleste dyr, herunder mennesker, ikke kan fordøje dem. Der findes dog andre organismer der kan, såsom svampe, og vi kan bruge sukkerets energi ved at brænde planter - fx i form af brændeknuder. Cellevæggen opbygges og ændres løbende ved at enzymer nedbryder og opbygger fibre. Alle planteceller har en primær cellevæg, mens nogle også opbygger en sekundær cellevæg. Den sekundære cellevæg opbygges typisk i celler, der skal give planten fysisk robusthed. Det meste af et træ (under barken) består af celler, der har opbygget en tyk sekundær cellevæg, der primært består af lignin. Protoplasten forsvinder og efterlader en slags sugerør af forbundne celler, hvorigennem vandet trækkes op til bladene. Den del af cellen, der befinder sig uden for cellemembranen kaldes for apoplasten, mens den del, der rummes af cellemembranen kaldes for protoplasten.



Opbygning af plantecellens cellevæg. De celler, der giver planten fysisk robusthed danner en sekundær cellevæg med et tiltagende større indhold af lignin. Den sekundære cellevæg opbygges i flere lag, hvor fibrene har forskellige orienteringer og dermed styrke overfor træk fra flere retninger. De celler der udgør det meste af stammen på et træ - "vedet" - har opbygget en sådan tyk cellevæg, hvorefter cellen dør og derefter fungerer som en slags sugerør, bladene på træet kan suge vand op igennem. (illustration: Peter Waldorph)

For de enkelte planteceller udgør cellevæggen en barriere - både en beskyttende barriere for fx sygdomsangreb og en barriere for kommunikation mellem cellerne. Men spredt rundt i cellevæggen findes små kanaler - plasmodesmata - der forbinder cellerne, og herigennem kan cellerne udveksle forskellige stoffer og signaler.
Kulhydrat findes også i en mere tilgængelig form i planter - i nogle mere end andre. De store mængder af sukker der kan udvindes fra fx sukkerrør og sukkerroer stammer fra plantecellens vakuole, en tredje vigtig forskel til dyreceller. Vakuolen er ofte det, der springer mest i øjnene, når man ser på planteceller i et mikroskop, da den kan fylde meget - nogle gange det meste af cellen. Den har flere funktioner, herunder oplagring af kulhydrat og pigmenter, som fx på radiser kan ses som den røde farve.

Mens dyre- og planteceller grundlæggende fungerer på samme måde, er de to rigers organisatoriske forskel iøjnefaldende. Planter er stationære, har rødder og blade, bruger lys som energikilde og vand og CO2 som råstoffer, etc. De konkrete celle- og vævstyper, planter udvikler, og organiseringer af organismen, er naturligvis bestemt af disse forhold. Mikroskoperer man et blad vil man for eksempel se den karakteristiske "læbecelle", der kan åbne ind til luftrum i bladets indre; derved kan et af planternes råstoffer, CO2, komme ind til cellerne, og ilt slippe ud (om natten dog i modsat retning, da planter her skaber energi ved forbrænding). Der slipper også vanddamp ud ("transpiration"), hvilket kan være et problem under vandmangel. Denne fordampning har dog også vigtige funktioner, såsom at drive plantens gennemstrømning af vand og næringsstoffer, og sågar at afkøle (parallelt til at dyr sveder).

Celledifferentiering i planter foregår meget anderledes end celledifferentiering i dyr. De celler som svarer til stamceller hos dyr og mennesker, findes i bestemte områder af planten som kaldes meristemer. Cellerne i meristemer er, som stamcellerne hos dyr, udifferentierede, og de kan udvikle sig til de forskellige typer væv og organer der findes i planter. Meristemer findes i planteembryoer og planters vækstzoner, fx i skud og rødder, og her differentierer meristemcellerne sig og danner nyt plantevæv.

Meristemerne findes hos planter i hele deres levetid. Her er altså en principiel forskel på planter og dyr: Hos dyr sker celledifferentieringen primært i den første del af et individs liv. Og på et relativt tidligt tidspunkt i livet er denne differentiering færdig - de nødvendige organer er udviklet og individet er voksent. Hos planter, derimod, sker der en stadig differentiering og udvikling af de forskellige plantevæv (fx epidermisvæv, det yderste cellelag i planter) og plantedele (fx blade, rødder og blomster) i hele plantens levetid fra meristemerne. Man siger at planter viser ubegrænset vækst.

Som hos dyr sker plantecellernes differentiering som følge af ændringer i plantecellernes geners aktivitet. En af de faktorer der har afgørende indflydelse på at styre disse ændringer, er plantehormoner. Hormonet auxin har fx stor betydning for den celledifferentiering, der skal foregå for at danne planters karsystem som bruges til transport af vand og næringsstoffer. Andre plantehormoner, fx cytokininer, ætylen og gibbereliner, spiller også alle vigtige roller for celledifferentiering i planter.

Selv om de planteceller, der dannes ud fra differentiering fra meristemceller, er specialiserede til at udføre bestemte funktioner i planten, er cellerne stadig totipotente. Det betyder at de hver især, hvis man stimulerer dem på den rigtige måde, det vil sige blandt andet påvirker dem med plantehormoner, kan udvikle sig til en hel plante.

Cellevæggen som barriere i genmodifikation

Cellevæggen spiller en særlig rolle, når man vil genmodificere en plante. Den gør, at DNA ikke så let kan slippe ind til cellens indre, hvor den skal ende i cellekernen. Der er dog udviklet metoder til at overkomme denne barriere, såsom en genkanon, der skyder små guldpartikler med DNA på ydersiden ind igennem cellevæggen, eller enzymbehandling (fx med cellulase), der nedbryder cellevæggen.

Etanolfremstilling til "biobrændsel"

Forskning i bioetanol-fremstilling handler om, hvordan man bl.a. ved hjælp af enzymer kan nedbryde plantefibre til sukker, som derefter kan laves om til sprit, såsom etanol. Etanol iblandes i dag benzin, da det udgør en energiform, der ikke bidrager lige så meget til udledningen af drivhusgasser - og dermed den globale opvarmning - som fossile brændstoffer.