Doch kein vererbbares, ökologisches Gedächtnis?

Ob Reaktionen auf Umwelteinflüsse in Form von epigenetischen Veränderungen dauerhaft vererbbar sind, wird unter Biologen derzeit heftig diskutiert. Eine aktuelle Studie deutet nun darauf hin, dass das zumindest bei Arabidopsis offenbar nicht der Fall ist.

Pflanzen sind fest an ihren Standort gebunden. Umso wichtiger ist es für sie, sich rasch anpassen zu können, wenn sich die Umweltbedingungen kurzfristig ändern. Solche Anpassungen können durch epigenetische Veränderungen des Genoms stattfinden. Dabei bleibt der genetische Code in seiner ursprünglichen Form erhalten. Eine solche epigenetische Veränderung des genetischen Codes sind beispielsweise chemische Gruppen (z. B. Methylgruppen), die sich an bestimmte Stellen der DNA heften und dafür sorgen, dass die Gene in diesem Bereich stillgelegt oder aktiviert werden. Besonders häufig finden sich Methylierungen an Stellen im Genom, die die Pflanze abstellen möchte, wie beispielsweise Transposons, die sich sonst immer wieder an zufällige Stellen in der DNA integrieren könnten, oder repetitive Elemente.

Wichtiger Mechanismus der Genregulation

Chemische Gruppen können sich auch an die kugeligen Proteine, die sogenannten Histone, anlagern, um die die DNA bei Tieren und Pflanzen gewunden ist. Je nach Art der chemischen Modifikation sorgt das für eine lockere oder dichte „Packung“ der DNA. Dadurch werden manche Gene für die zelluläre Maschinerie leichter oder schwerer zugänglich. Epigenetische Modifizierungen sind deshalb ein wichtiger Mechanismus der Genregulation.

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Epigenetische Veränderungen erhöhen Widerstandskraft

Über epigenetische Veränderungen kann eine Pflanze beispielsweise nach einem Insektenangriff ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber einer erneuten Attacke erhöhen, auch Trockenstress, Hitze oder lange Kälteperioden können dank Methylierungen besser überstanden werden. In welchem Ausmaß derartige kurzfristige Anpassungen stabil an die nachfolgenden Generationen weitervererbt werden, darüber diskutieren Pflanzenforscher auf der ganzen Welt derzeit. Die Schwierigkeit dabei erklärt Claude Becker vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie so: „Oft lässt es der Versuchsaufbau nicht zu, eine vererbte Methylierung, die durchaus vorkommen kann, über mehrere Generationen weiterzuverfolgen“. Seine aktuelle Arbeit könnte für diese Diskussion richtungsweisend sein.

Unabhängige, stabile Vererbung nachweisbar?

In ihrer aktuellen Studie hat die Forschergruppe unter Leitung von Detlef Weigel untersucht, ob Unterschiede im Methylierungsmuster unabhängig vom genetischen Hintergrund weitergegeben werden. In diesem Zusammenhang prüften sie auch, ob genomweite, epigenetische Muster charakteristisch für eine lokale Anpassung einer Pflanze sind.

Pflanzen mit geringer genetischer Variabilität

Für ihre Untersuchungen benutzen die Forscher 13 genetisch nah verwandte Arabidopsis thaliana Linien von neun verschiedenen Standorten in Nord-Amerika. „Die Pflanzen, die wir untersucht haben, sind über mindestens hundert Jahre unter natürlichen Bedingungen an unterschiedlichen Standorten gewachsen und waren während dieser Zeit sehr vielen, unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt“, erklärt der beteiligte Bioinformatiker Jörg Hagmann, ebenfalls vom Max-Planck Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen. Ziel der Studie war es, die Anzahl der Methylierungsänderungen im gesamten Genom über diesen langen Zeitraum zu erfassen. Die Arabidopsis Pflanzen in Nordamerika eignen sich dafür besonders gut, da sie wahrscheinlich alle von einer einzigen Ursprungspflanze abstammen, die vor etwa 200 Jahren durch Siedler ins Land gebracht wurde. „Die genetischen Unterschiede zwischen den Arabidopsis Pflanzen Nordamerikas sind sehr gering im Gegensatz zu denen, die in Europa wachsen“, erklärt Co-Autor Claude Becker. Da es so wenige genetische Unterschiede bei diesen Pflanzen gibt, konnten die Wissenschaftler den Einfluss dieser Unterschiede auf die Methylierung als gering einschätzen.

Methylierungsstatus kaum verändert

Das erstaunliche Ergebnis: Selbst über diesen langen Zeitraum hatten sich nur drei Prozent der methylierten Stellen im Genom der in freier Natur wachsenden Pflanzen in ihrem Methylierungsstatus verändert. Von diesen Unterschieden waren auch noch einige an die wenigen genetischen Unterschiede zwischen den Pflanzen gekoppelt.

Daraus schließen die Forscher, dass Veränderungen in der Methylierung, die durch Umweltfaktoren ausgelöst wurden, nur einen geringen Anteil an den dauerhaften genomweiten, vererbbaren epigenetischen Variationen ausmachen. Sie sehen ihre bereits in früheren Arbeiten gemachte Vermutung bestätigt, dass eine Veränderung des Methylierungsstatus nur bedingt stabil ist und das Genom nicht selten wieder zu seinem ursprünglichen, epigenetischen Status zurückkehrt. Denn viele der epigenetischen Veränderungen, die die Forscher bei den verschiedenen Arabidopsis-Linien aus Nord-Amerika ausfindig machten, traten genauso auch bei genetisch identischen Pflanzen auf, die in Gewächshäusern bei gleichbleibenden Umweltbedingungen gewachsen waren. „Das deutet darauf hin, dass die spontanen Änderungen des Methylierungsstatus unabhängig von Umweltbedingungen und genetischem Hintergrund auftauchen“, schlussfolgern die Forscher.