Gene ticken unten anders als oben

Pflanzen können unterschiedliche Merkmale haben, ohne dass dies auf die Erbinformation als solche zurückgeführt werden kann. Sogenannte epigenetische Veränderungen beeinflussen die Genaktivität und verändern die Merkmalsausprägung von Pflanzen. Forscher haben nun gezeigt, dass es in unterschiedlichen Pflanzenteilen ganz unterschiedliche epigenetische Muster gibt, die vermutlich eine Rolle bei der Spezialisierung von Zellen haben.

Pflanzen sind vielfältigen Umwelteinflüsse ausgesetzt. Diese können in Form von epigenetischen Veränderungen durchaus Spuren im Erbgut (Genom) hinterlassen. Die DNA selbst wird dabei nicht verändert. Stattdessen heften sich chemische Gruppen (z.B. Methylgruppen) an die DNA und sorgen dafür, dass die Gene in diesem Bereich stillgelegt werden. Genfunktionen lassen sich so zu- oder abschalten. Chemische Gruppen können sich auch an die kugeligen Proteine (sogenannte 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.

Epigenetische Mechanismen sorgen dafür, dass Zellen nicht starr auf ein genetisches Repertoire programmiert sind, sondern ihre genetische Aktivität auch an Umweltveränderungen anpassen können. Diese „Erfahrung“ können Zellen wiederum an ihre Tochterzellen oder sogar an die nächsten Generationen weitergegeben.

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Gibt es innerhalb der Pflanze unterschiedliche Methylierungsmuster?

Bisher ist viel dazu geforscht worden, wie sich solche Modifikationen auf die Aktivität von Genen und die Bildung von Proteinen in der Pflanze auswirken. Allerdings ist wenig darüber bekannt, ob diese Veränderungen überall in der Pflanze gleich sind, oder ob es Unterscheide in den verschiedenen Pflanzenteilen gibt. Bei einer früheren Untersuchung an Reis konnten beispielsweise keine großen gewebsspezifischen Unterschiede festgestellt werden (Zemach et al., 2010). Zudem ist unklar, wie sich epigenetische Prozesse auf die Spezialisierung von Zellen auswirken, wenn sich Pflanzenembryos entwickeln.

Ein Forscherteam überprüfte nun, ob sich Wurzel und Spross der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in ihren epigenetischen Mustern voneinander unterscheiden. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf die Methylierung der DNA, bei der sich Methylgruppen – diese bestehen aus einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoffatomen (CH3) - an die DNA anheften.

Epigenetische Veränderungen programmieren Pflanzenzellen

Die Forscher stellten fest, dass Wurzel und Spross in der Ackerschmalwand ganz unterschiedliche und zum Teil sogar gegensätzliche Methylierungsmuster aufwiesen. Die Methylierungsunterschiede deckten sich auch mit der gewebsspezifischen Genaktivität: Bestimmte Gene, die im Wurzelgewebe besonders aktiv waren, waren dafür im Sprossgewebe besonders stark methyliert und in ihrer Aktivität gehemmt. Dazu gehörte z.B. die Gruppe der Extensin-Gene, die am Aufbau der Zellwände von Pflanzen beteiligt sind.

Bisher hatte man diesen Genen noch keine besondere Rolle bei der Spezialisierung von Wurzelzellen zugeschrieben. Aufgrund der spezifischen Methylierungs- und Genexpressionsmuster vermuten die Wissenschaftler jetzt allerdings, dass diese Gene wichtig sind, damit aus embryonalen Pflanzenzellen Wurzelzellen werden können. „Zukünftige Studien werden vermutlich noch viele weitere, feinere epigenetische Unterschiede in Pflanzengeweben zutage fördern, als es mit der ersten „groben“ Einteilung in Wurzel und Spross möglich war“, schreiben die Forscher. Die Ergebnisse seien jedoch ein Hinweis darauf, dass epigenetische Veränderungen nicht nur in Tieren, sondern auch in Pflanzen an der genetischen Programmierung und Spezialisierung embryonaler Zellen in spezifische Gewebe beteiligt sind.

Epigenetische Programme, so kann durch die neuen Erkenntnisse vermutet werden, ließen sich auch nutzen, um die „Architektur“ der Pflanzen zu beeinflussen. Viele der heute genutzten Kulturpflanzen unterscheiden sich in dieser von ihren „wilden“ Verwandten.