Als Robert Hooke 1665 durch sein Mikroskop auf ein Stück Kork starrte und den Begriff »Zelle« prägte, betrachtete er eigentlich nur die Wände der toten Zellen. Der matschige Inhalt, der sich normalerweise in den Zellen befindet, wurde zum Gegenstand weiterer Untersuchungen. Doch für viele Pflanzenwissenschaftler und Wissenschaftlerinnen traten die Wände selbst in den Hintergrund. Sie wurden als passive Behälter für die aufregende Biologie im Inneren betrachtet.

»Lange Zeit hielt man die Zellwand für tot«, sagt Alice Cheung, Molekularbiologin und Biochemikerin an der University of Massachusetts Amherst. Erst im späten zwanzigsten Jahrhundert, so Cheung, begannen Forschende, die Zellwand als die lebendige, sich ständig verändernde Struktur zu entlarven, die sie ist. Schon damals hielt die komplexe Mischung aus Zuckermolekülen, die zu langen, verzweigten Polysacchariden verbunden sind, nur die unerschrockensten Biochemiker fern.

Mit Hilfe moderner molekularer Methoden zur Analyse des Aufbaus und der Zusammensetzung der Zellwand verstehen die Forscher nun aber immer mehr. Sie stellen fest, dass die Zellwand ein aktiver, ja sogar gesprächiger Teilnehmer am Zellwachstum, an der Reproduktion und an der Reaktion auf Infektionen ist. Sie empfängt und sendet ständig Signale über ihre Form und Zusammensetzung. Indem sie diese Signale entschlüsseln und sie verändern oder ergänzen, erforschen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen innovative Wege, um die Landwirtschaft mit Hilfe der Zellwandforschung zu verbessern: zum Schutz von Nutzpflanzen vor Krankheiten und Entwicklung neuer Pflanzen oder robuster Hybride.

»Die pflanzliche Zellwand ist eines der ausgeklügeltsten Kommunikationssysteme«, sagt Li-Jia Qu, ein Pflanzenbiologe an der Peking-Universität in Peking. Sein langfristiges Ziel ist es, die Erkenntnisse über diese Botschaften zu nutzen, um entfernt verwandte Pflanzen miteinander zu kreuzen und aufregende Nutzpflanzen zu schaffen, die die Landwirtschaft auf neue Gebiete ausweiten könnten.

Wenn Wände sprechen

Die Zellwand ist die Schnittstelle zwischen der Pflanze und ihrer Umwelt, einschließlich Salz und anderen Stressfaktoren oder Krankheitserregern wie Schimmelpilzen. Sie muss Schäden erkennen und sich entsprechend anpassen.

Die Zellwände einer wachsenden Pflanze sind hauptsächlich aus Polysacchariden aufgebaut, darunter steife Zellulosefasern und gelierte Pektinstränge. Letztere sind hochkomplexe Moleküle, die auf vielfältige Weise verzweigt und mit verschiedenen Extras wie Methylgruppen versehen sind. »Es ist wie eine riesige Schüssel mit vielen verschiedenen Nudelsorten, die alle miteinander vermischt sind«, sagt Charles Anderson, ein Pflanzenzellbiologe an der Pennsylvania State University in State College.

Und obwohl die Wand den Inhalt im Inneren schützt, verwenden einige Krankheitserreger Enzyme, um sie zu durchbohren und die Zellen zu infizieren. Dabei entstehen Polysaccharidfragmente, die der Zelle signalisieren, dass etwas die Wand durchbrochen hat. Wenn die Zelle diese Bruchstücke zusammen mit Fragmenten der Zellwand des infizierenden Krankheitserregers wahrnimmt, aktiviert sie Gene in den Immunwegen der Pflanze. Als Reaktion darauf kann die Pflanze ein zusätzliches Polysaccharid, die so genannte Kallose, produzieren, das die Zellwand stärkt. Außerdem stellt sie Abwehrmoleküle wie antimikrobielle Peptide und reaktive Sauerstoffspezies her.

Solche Signale werden bereits von Landwirten genutzt. Indem sie aus den Zellwänden von Algen oder Pilzen gewonnene Moleküle auf ihre Felder sprühen, können sie die Pflanzen auf Krankheitserreger vorbereiten, die später eintreffen könnten. Auf diese Weise aktivieren sie die Immunantwort »und lassen den natürlichen Mechanismus der Pflanze die Infektion bekämpfen«, sagt Antonio Molina, Pflanzenbiologe an der Technischen Universität Madrid. Die Methode könnte den Landwirten helfen, agressive Fungizide zu vermeiden, sagt er.

Molina ist Mitbegründer von zwei Unternehmen, die sich diese Technik zunutze machen und Extrakte aus Pilzen oder Pflanzen als Pflanzenschutzmittel herstellen.

Die derzeitigen Impfmittel sind ziemlich grobe Mischungen aus Pflanzen oder Krankheitserregern, sagt Cyril Zipfel, ein Pflanzenimmunologe an der Universität Zürich, Schweiz. Er arbeitet daran, die dem Immunsystem zugrundeliegenden Signalwege zu verstehen. Das sollten den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ermöglichen, spezifischere oder sogar synthetische Behandlungen zu entwickeln.

Allerdings gibt es auch Nachteile, sagt Molina. Zum einen hält die Wirkung nur drei oder vier Wochen an. Eine erneute Anwendung bei langsam wachsenden Pflanzen könnte kostspielig werden, aber Molina ist der Meinung, dass Landwirte den Einsatz von Impfmitteln auf Zeiten mit hohem Infektionsrisiko konzentrieren könnten, beispielsweise nach Regenfällen, um Mehltau zu verhindern.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Pflanzen, die Ressourcen für die Stärkung ihrer Abwehrkräfte aufwenden, dem Wachstum Material und Energie entziehen, so dass die Landwirte die Behandlungen mit Bedacht einsetzen müssen.

Angetrieben durch Pektin

Das Pflanzenwachstum selbst zeigt, dass die Vorstellung einer Zellwand als statische Hülle unzureichend ist. Ja, die Zelle braucht die Wand als physischen Behälter, sonst würde sie durch den enormen Wasserdruck in ihrem Inneren platzen. Doch damit Pflanzenzellen wachsen können, müssen sich die Zellwände zunächst ausdehnen, sagt Sebastian Wolf, Molekularbiologe für Pflanzen an der Universität Tübingen in Deutschland.

An dieser Stelle kommt Pektin ins Spiel. Pektin ist ein kompliziertes Molekül, das aus mindestens einem Dutzend Zuckern besteht, die durch mehr als 20 Arten von Bindungen miteinander verbunden sind, sagt Wolf. »Es ist tatsächlich so komplex, dass wir nicht wissen, wie es aussieht«, fügt er hinzu. Pektin ist auch dynamisch und unterliegt häufigen Veränderungen. Je nach diesen Veränderungen kann es starr sein und eine robuste Pflanze stützen, oder weicher, wenn die Pflanze wachsen muss. Aus diesem Grund wird Pektin häufig zur Herstellung von Marmelade verwendet: Die ursprünglich weichen Pektinmoleküle vernetzen sich und saugen Wasser auf, wodurch sie eine steifere, gallertartige Konsistenz annehmen.

In der wachsenden Pflanze gibt es eine Schlüsselmodifikation, die Pektin weich oder starr macht: Methylgruppen, die an die Zuckerkomponenten des Pektins gebunden sind. Wenn die Wand mehr Material für das Wachstum oder zur Verstärkung benötigt, stellt die Zelle im Inneren eine methyldekorierte Form her, von der man annimmt, dass sie relativ gut löslich ist, so dass sie in die umgebende Wand abgesondert werden kann. Sobald das Pektin in die Wand eingebaut ist, beginnt sie sich zu verfestigen. Dies geschieht, wenn Enzyme die Methylgruppen entfernen und negativ geladene Atome in den darunter liegenden Zuckermolekülen freilegen. Die Kalziumionen in der Wand binden sich an jeweils zwei Zucker und vernetzen das Pektin zu einem steiferen Material, das Wasser aufnehmen kann.

Als Doktorand an der Universität Heidelberg in den frühen 2000er Jahren interessierte sich Wolf für die Auswirkungen von Methylgruppen auf Pektin und stellte daher eine Mutante der Kresse Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand), einem Liebling der Pflanzengenetiker, her, die die Methylgruppen nicht abspalten kann. Er erwartete, dass dadurch die Zellwände weicher werden würden, aber die Pflanzen entwickelten sich seltsamer als erwartet, mit langen, gewellten Wurzeln. Sie erinnerten ihn an Mutanten mit Defekten in der zellulären Signalübertragung, die mit Zellulose zu tun haben, was ihn zu der Frage veranlasste, ob Pektin ebenfalls eine Rolle nicht nur in der Zellwandstruktur, sondern auch in der zellulären Kommunikation spielt.

In Fortsetzung dieser Forschung am französischen Nationalen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt in Versailles entdeckte Wolf ein Zellwandsignal, das zur Kontrolle des Pflanzenwachstums beiträgt. Der von Wolf entdeckte Input beginnt, wenn Rezeptoren an der Zelloberfläche ein Übermaß an methyldekoriertem Pektin bemerken. Als Reaktion darauf weisen sie die Zelle an, ihre Produktionsleitungen anzupassen und mehr des methylabbauenden Enzyms herzustellen, damit die Wand das Pektin festigen kann.

Zellwandsignale können sogar dazu beitragen, dass wachsende Zellen ausgefallene Formen annehmen, wie z. B. die puzzleartigen Formen der so genannten Pflasterzellen — ineinandergreifende Oberflächenzellen, die den Pflanzenblättern Festigkeit und Struktur verleihen. Als Anderson und seine Kollegen die Signale untersuchten, die die Zellwand bei der Entwicklung von Pflasterzellen in A. thaliana aussendet, fanden sie Hinweise auf eine weitere Unterhaltung, die von methylfreiem Pektin und einem Rezeptor namens FERONIA initiiert wird, der diese Form von Pektin wahrnimmt. Aber auch Cellulose spielt hier eine Rolle. Beide Zellwandbestandteile werden benötigt, um die eingedrückten Teile des Puzzlestücks, die so genannten »Hälse«, zu stärken. Ohne diese Verstärkung wölbt sich der Rest der Zelle in diesen Raum hinein. Wenn FERONIA nicht vorhanden ist, gehen die Einbuchtungen nicht so tief wie sie es normalerweise tun würden.

Die Forscher gehen davon aus, dass der Einkerbungsprozess in einer gesunden Blattzelle folgendermaßen abläuft: Methylfreies Pektin in der Zellwand ist ein Zeichen dafür, dass genügend Pektin vorhanden ist, um einen Hals zu stützen. Dieses Pektin haftet an einem Rezeptorkomplex auf der Zelloberfläche, zu dem auch FERONIA gehört. Daraufhin beginnt die Zelle, an derselben Stelle Zellulose zu produzieren. Zusammen verstärken die Zellulose und das Pektin die Wand, so dass sie die Einbuchtung tragen kann.

Wolf untersucht weiterhin die Rolle der Zellwand bei der Formung von Zellen und berichtete in einer Vorabveröffentlichung Anfang 2025, dass Pflanzenstammzellen den Methylstatus des Wandpektins kontrollieren müssen, um ihre Identität als Stammzelle zu bewahren und neue Pflanzenteile zu bilden. Er glaubt, dass es möglich ist, diese Signalwege zu nutzen, um die Art und Weise zu beeinflussen, wie Pflanzen geformt werden. »Man kann grundlegend verändern, wie Pflanzen wachsen und wie sie aussehen«, spekuliert er. Wenn Pflanzen zum Beispiel weniger Zellulose bilden, wachsen sie zu »stummeligen« Formen heran. Aber, so warnt er, die Forscher müssen zunächst mehr über die zugrunde liegenden Wachstumswege erfahren.

Potenzial für Hybride

Der FERONIA-Rezeptor in diesen Puzzlestück-Zellen hat sich als Schlüsselfigur bei der Zellwand-Signalgebung erwiesen. FERONIA ist überall in Pflanzen zu finden und interagiert mit einer Reihe von Partnern, um nicht nur die Blattzellform zu beeinflussen, sondern auch eine Vielzahl anderer Systeme, vom Wurzelwachstum bis zu Reaktionen auf Umweltstress. Da FERONIA an Pektin bindet, um die Integrität der Zellwand aufrechtzuerhalten, wird die Zellwand ohne FERONIA schwach und porös. Bemerkenswerterweise überleben Mutanten, denen FERONIA fehlt, obwohl sie ziemlich ungesund sind, sagt Qu: Sie treiben faltige, krause Blätter aus und hängen am Boden herum, weil ihnen die Gefäße fehlen, die sie aufrecht halten. Sie sind »sehr klein, geradezu winzig«, sagt Qu. Sie können Samen bilden, fügt er hinzu, »aber nur sehr wenige«.

Dieser armselige Reproduktionsversuch ist darauf zurückzuführen, dass eine der Hauptaufgaben von FERONIA darin besteht, die Zellwand während der Pflanzenreproduktion zu überwachen und zu steuern. Seine Entdecker haben ihn nach einer etruskischen Fruchtbarkeitsgöttin benannt. Und in dieser Zellwandsignalisierung sehen Qu und Cheung eine Möglichkeit, die Pflanzenvermehrung zu verändern und widerstandsfähige Hybridpflanzen zu schaffen.

Die Samenbildung bei blühenden Pflanzen beginnt, wenn ein Pollenkorn, das Spermien trägt, auf der Narbe, einem Teil des weiblichen Teils der Blüte, dem Stempel, landet. Da die Spermien nicht schwimmen können, beginnt der Pollen, einen langen Schlauch zu bilden — ein Prozess, der als Keimung bezeichnet wird — , der die Zellwände des Stempels durchdringt und sich entlang des Gewebes bewegt, bis er eine der Eizellen erreicht. Die Spitze der Röhre platzt dann auf und gibt ein Spermienpaar ab. Das eine befruchtet die Eizelle, wodurch der Embryo entsteht. Das andere befruchtet eine andere Zelle, um das Endosperm zu bilden, das den Embryo trägt und ernährt. Cheung und ihre Mitarbeiter haben gezeigt, wie FERONIA und verwandte Rezeptoren an jedem Schritt des Weges beteiligt sind.

Zunächst muss die Narbe feststellen, ob der Pollen die richtige Sorte für sie ist. Er muss von der gleichen Art sein, aber viele Pflanzen vermeiden die Selbstbefruchtung und suchen einen anderen Partner, um die genetische Vielfalt zu erhalten. FERONIA und seine Partner bringen die Narbe dazu, reaktive Sauerstoffspezies zu produzieren, die die Keimung von unerwünschtem Pollen blockieren. Die Erkennung von erwünschtem Pollen beruht auf einem Schlüssel-Schloss-System, erklärt Qu. Wenn der Pollen den richtigen Schlüssel zeigt, verändert er die Aktivität von FERONIA und schaltet die reaktiven Sauerstoffmoleküle ab. Das gleiche Signal zwischen Pollen und dem FERONIA-Komplex veranlasst die Zellen im Stempel, Wasser auszuschütten, wodurch der Pollen mit Feuchtigkeit versorgt und zum Keimen gebracht wird.

FERONIA und verwandte Rezeptoren im Pollenschlauch und im Stempel steuern die Reise des Schlauches zum Ei. Sie sorgen dafür, dass die Schlauchwände steif, die Spitze aber weich genug sind, um zu wachsen, und sie halten die Wand so lange intakt, bis der Schlauch in eine Eizelle eindringt und platzt. Wenn diese Rezeptoren nicht richtig funktionieren, stapeln sich mehrere Pollenschläuche in einzelnen Eizellen, ohne Spermien freizusetzen, und es entsteht ein verworrenes Durcheinander anstelle eines Samens.

In der Hoffnung, die Pflanzen dazu zu bringen, sich mit anderen Arten zu paaren, erproben die Wissenschaftler Möglichkeiten, die Nachrichtenübermittlung von FERONIA gleich zu Beginn zu schwächen, wenn der Pollen auf die Narbe trifft. So haben Cheung und Qiaohong Duan, ein ehemaliges Mitglied von Cheungs Labor und jetzt Pflanzenbiologe an der Shandong Agricultural University in Tai'an, China, Moleküle eingesetzt, die reaktive Sauerstoffspezies an der Narbe eliminieren und es einer Pflanze erleichtern, sich mit inkompatiblen Pollen zu vermehren. Qu, der ebenfalls mit Cheung zusammenarbeitet, hat synthetische Pollenschlüssel verwendet, die es fremden Pollen ermöglichen, in den Stempel einzudringen und Hybridembryonen zu erzeugen. Und Cheung, Duan und ihre Kollegen haben auch einen genetischen Trick angewandt, um das FERONIA-System vorübergehend zu deaktivieren und den Pollen entfernter Verwandter durch das Tor der Narbe zu lassen.

Damit werden keineswegs alle Systeme ausgeschaltet, die eine Fehlbefruchtung verhindern, aber ein wenig Abschalten sollte ausreichen, sagt Cheung. Wenn es dem Team gelingt, einen hybriden Embryo zu erzeugen, reicht das für Pflanzenzüchter aus, sagt sie: »Dann ist man im Geschäft.«

Veränderungen der Zellwandkomponenten, insbesondere des Pektins, sind auch eng mit der Reifung von Früchten verbunden, was den Forschenden helfen könnte, neue Arten von Pflanzen zu entwickeln. So sind beispielsweise bei der Entwicklung und Reifung von Tomaten mehr als 50 Gene beteiligt, die mit der Zellwandstruktur zusammenhängen, sagt Graham Seymour, Pflanzenbiologe an der Universität Nottingham, Großbritannien. Über die spezifischen Zellwandsignale, die dabei eine Rolle spielen, ist nicht viel bekannt, aber wenn man diese Signale verändert, so spekuliert Seymour, könnten Bioingenieure und Ingeneurinnen die Früchte verändern: »Man könnte schmelzendere oder knusprigere Texturen erzeugen oder die Textur so verändern, dass sie länger haltbar ist, aber die Qualität erhalten bleibt.«

Diese Idee ist nicht neu, wie die Geschichte der Flavr Savr-Tomate zeigt. Diese Frucht wurde so manipuliert, dass die Produktion eines Pektin abbauenden Enzyms erheblich reduziert wurde, in der Hoffnung, dass die Früchte, die an der Rebe reifen, schmackhafter sind, aber dennoch länger als andere Tomaten während des Transports und in den Lebensmittelregalen halten. In den 1990er Jahren kamen sie in die US-Supermärkte. Aber die Tomaten wurden trotzdem weich. Außerdem brachten die höheren Produktionskosten nicht die erhoffte Geschmacksverbesserung mit sich; Flavr Savr wird nicht mehr verkauft.

Das Problem ist, dass an den auf Pektin basierenden Konversionen Tausende von Genen in komplexen und sich überschneidenden Stoffwechselwegen beteiligt sind, sagt Daniel Cosgrove, ein Pflanzenbiologe an der Pennsylvania State University. Wenn Pflanzenbiologen und Biologinnen also ein Gen oder auch nur einige wenige ändern, können sie ihr Ziel verfehlen, wie es bei dem unglücklichen Flavr Savr der Fall war. »Ich glaube, dass wir noch immer nicht wissen, was das Nettoergebnis ist.«, sagt Cosgrove.

Doch Qu und andere Forschende lassen sich von der wechselvollen Geschichte des Feldes und den komplexen Signalwegen nicht entmutigen. Er gibt sich nicht mit der Idee zufrieden, eng verwandte Pflanzen zu kreuzen, wie etwa Kohl mit Kresse oder Blumenkohl. Er ist vielmehr daran interessiert, eine Hülsenfrucht, die ungenießbar ist, aber in salzigem Wasser gedeiht, mit leistungsstarken Pflanzen wie Sojabohnen oder Reis zu kreuzen.

Wenn er Erfolg hat, könnten Chinas Salzwasserküsten eines Tages mit Reisfeldern bedeckt sein, was die Landschaft und die Nahrungsmittelversorgung drastisch verändern würde — alles dank dessen, was die Zellwand dem Rest der Zelle mitteilt und was die Zelle antwortet.