Genetischer Mobilfunk

Ein internationales Forscherteam findet mit Beteiligung des Max-Planckinstituts für Molekulare Pflanzenphysiologie heraus, dass tausende mobile mRNAs im Pflanzeninneren zirkulieren und entfernt von ihrem Produktionsort Wachstumsprozesse steuern und koordinieren.

Transplantationen sind Aufgaben von Chirurgen, so sagt man. Doch auch Obst- und Weinbauern tun es seit mehr als 1.000 Jahren: Sie kombinieren robuste, gutwüchsige und gegen Schädlinge resistente Pflanzen, z. B. Apfelbäume, mit artverwandten Sorten, die reichlichen und vor allem hochwertigen Ertrag versprechen. Fachleute und Hobbygärtner sprechen dabei vom Pfropfen. Mit Hilfe dieser Technik haben Forscher unter Beteiligung des Max-Planck Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam am Beispiel von Arabidopsis Pflanzen (Arabidopsis thaliana) herausgefunden, dass im Pflanzeninneren Tausende mRNA-Moleküle (messengerRNA) zirkulieren, um weit entfernt von ihrem Produktionsort zelluläre Prozesse zu steuern und zu koordinieren. So neu diese Erkenntnis für die Pflanzenforschung ist, so nützlich könnte sie sich für Landwirte, insbesondere Obst- und Weinbauern, erweisen.

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mRNAs reisen im Phloem durch die Pflanze

Dass im Leitbündel von Pflanzen nicht nur Wasser, Nährstoffe und Hormone zirkulieren, sondern auch Aminosäuren, Proteine und kleine RNA-Moleküle, war bereits bekannt. Jedoch handelte es sich bezogen auf Letzteres häufig um kleinere, mobile siRNA-Moleküle (small interfering RNA).

„Das sind kleine RNA-Moleküle, die an der Genregulation beteiligt sind.Dazu werden sie über weite Strecken transportiert, z. B. vom Blatt in die Blüte, wo sie die Pollenproduktion regulieren können“, erklärt Friedrich Kragler vom Max-Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie und fährt fort. „Von den im Phloem gefundenen Botenribonukleinsäuren (mRNAs) wurden aber bisher nur wenige genauer untersucht. Außerdem war nicht bekannt, in welchem Ausmaß mRNAs zwischen verschiedenen Organen der Pflanze transportiert werden.“

mRNA oder Boten-RNAs sind Gen-Kopien, welche die genetischen Informationen enthalten, die von den Ribosomen, die Proteinfabriken der Zelle, benötigt werden, um Proteine zu bilden. Diese sind Strukturelemente, Signal- und Reservestoffe sowie die Maschinerie sämtlicher Lebensprozesse.

Forscher vermuten seit einigen Jahren, dass die Boten-RNA auch über längere Distanzen ihre Funktionen erhalten und ausüben könnten. Vereinfacht gesagt würde dies bedeuten, dass die Gene einer Zelle mit Hilfe mobiler mRNAs den Ribosomen einer anderen Zelle mitteilen, welche Proteine zu bilden sind.

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Rund 2.000 Gene produzieren mobile mRNAs

„Bei der bioinformatischen Analyse der Sequenzdaten konnten wir 2.006 Gene identifizieren, die mobile mRNAs produzieren“ erklärt Kragler das überraschende Ergebnis. Bei einer geschätzten Gesamtzahl von etwa 25.000 Genen in Arabidopsis bedeutet dies, dass etwa acht Prozent aller Gene von Arabidopsis über größere Entfernungen wirksam werden könnten. Um unter allen RNA-Molekülen diejenigen herauszufiltern, die aus den Zellen eines weiter entfernt liegenden Pflanzenorgans stammen, griffen die Forscher auf einen Trick zurück. Sie propften unterschiedliche Arabidopsis Linien.

„Grundlage unseres Experiments war die genetische Vielfalt der verschiedenen Arabidopsis-Ökotypen“, erklärt Koautor Wolf-Rüdiger Scheible die Vorgehensweise. Die Forscher kombinierten zwei artverwandte, aber hinsichtlich ihres Ökotyps und damit auch genetisch unterschiedliche Arabidopsis-Pflanzen miteinander. Sie setzten den Spross des einen Typs auf den Wurzelhals eines anderen und umgekehrt.

Tausende mobile mRNAS zirkulieren im Pflanzeninneren

Trotz der Artverwandtschaft waren die genetischen Unterschiede beider Ökotypen groß genug, um die Gene respektive die von diesen gebildeten Boten-RNAs unterscheiden zu können. Nach rund zehn Tagen ermittelten die Forscher, welche mRNA-Moleküle mit genetischen Bauanleitungen für die Proteinproduktion im Gepäck, ihren Produktionsort verlassen hatten, um in den Zellen des jeweils anderen Ökotyps Proteine zu bilden.

Entgegen der Erwartung strömten die RNA-Moleküle jedoch nicht nur im Massenstrom mit den Photosyntheseprodukten im Phloem durch die Pflanze, von den Blättern zu den Wurzeln, also von oben nach unten, sondern wanderten auch gegen den Strom von unten nach oben. Während sich einige wiederum in allen Pflanzenorganen verteilten, strömten andere zielgerichtet in bestimmte Organe, wie zum Beispiel von der Wurzel in die Blüte oder die Blattrosette – oder umgekehrt.

Mobile mRNAs helfen bei der Koordinierung und Anpassung

Die Forscher vermuten, dass mit Hilfe der mRNA-Moleküle Wachstumsprozesse und Reaktionen in der gesamten Pflanze aufeinander abgestimmt und koordiniert werden, wenn es die äußeren Bedingungen erfordern. So beobachteten sie, dass rund 90 mRNA-Moleküle erst bei akutem Mangel an Phosphor (P)oder Stickstoff (N) begannen, von den Wurzeln in Richtung Blüten und Blättern empor zu wandern.

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Beide Nährstoffe sind für Pflanzen überlebenswichtig: Phosphor unter anderem für die Photosynthese, die Energieübertragung und die Regulierung des Wasserhaushalts. Stickstoff ist wichtiger Bestandteil der DNA  und des grünen Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll. Die Forscher schließen daraus, dass die mobilen mRNAs der Pflanze dabei helfen, auf Engpässe im Nährstoffangebot im Boden mit einer Drosselung energieintensiver Tätigkeiten in den übrigen Pflanzenorganen zu reagieren.

Zudem schließen sie nicht aus, dass die mobilen mRNA-Moleküle darüber hinaus auch bei der Pflanzenabwehr eine Rolle spielen könnten. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn auf „Anweisung“ eines von Pathogenen befallenen Pflanzenorgans in den übrigen Organen Abwehrmaßnahmen ergriffen und chemische Abwehrstoffe produziert werden müssen. Und zwar rechtzeitig, bevor die Eindringlinge dort ankommen.

Ein Schritt zum besseren Verständnis, wie Gene über Distanzen wirken

„Die Entdeckung der mobilen mRNAs ist ein wichtiger und grundlegender Schritt zum besseren Verständnis, wie Gene in höheren Pflanzen über eine größere Distanz zusammenwirken, Wachstums- und Stoffwechselprozesse ebenso wie Zellfunktionen steuern und koordinieren“, erklärt der Hauptautor der Studie Christoph Thieme.

Obwohl sich die Veredelungstechnik des Pfropfens seit Tausenden Jahren bewährt und weiterentwickelt hat, kommt es immer wieder vor, dass hochwertige Fruchtsorten an Größe und Geschmack einbüßen, nachdem sie auf den robusteren Verwandten verpflanzt worden sind. Eine Erklärung  für das bisher noch nicht vollständig verstandene Phänomen könnten nun mRNA-Moleküle sein, die nach der Pfropfung in die Früchte wandern, wo sie das Fruchtwachstum und die Bildung von Geschmacksstoffen negativ beeinflussen.

Vertiefte Kenntnisse über die mRNAs könnten den Landwirten, Obst- und Weinbauern, aber auch den Hobbygärtnern zugutekommen, um in Zukunft Pfropfungspartner zu finden, deren mRNAs die Früchte weder schrumpfen noch fad schmecken lassen.