Sprunghafte Entwicklungen

Eine neue Studie zeigt den Einfluss springender Gene bei der Stressbewältigung

21.01.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Transposons greifen bei Stress, z.B. Trockenstress,  in die Genregulation der Pflanze ein. (Bildquelle: © iStock.com/Marccophoto)
Transposons greifen bei Stress, z.B. Trockenstress, in die Genregulation der Pflanze ein. (Bildquelle: © iStock.com/Marccophoto)

Forscher weisen nach, dass bestimmte Transposons unter Stressbedingungen aktiv in die Genregulation eingreifen können und so die Reaktion der Pflanze beeinflussen.

Transposons sind sogenannte „springende Gene“. Sie ändern selbständig ihre Position innerhalb der DNA und begünstigen durch diese Sprünge Mutationen in ihrem Umfeld. Durch ihre Sprünge können Gene temporär aber auch irreversibel funktionslos werden. Stabile Veränderungen der Basenabfolge, die DNA Sequenz von Genen, sind ebenfalls möglich. Bekannt ist auch, dass diese Transposons Einfluss auf die Genexpression unter Stressbedingungen haben. Wie viele Gene durch Transposons in ihrer direkten Umgebung aber auch weiter entfernt aktiviert werden und welche Transposon-Gruppen überhaupt in der Lage sind, die Genregulation zu beeinflussen, diese Fragen waren bisher nicht geklärt. Das haben Forscher in einer systematischen Studie an Maispflanzen (Zea mays) jetzt nachgeholt.

Mais als Modell

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Mais hat das Genom mit einer hohen Rate an springenden Genen und bietet sich daher für die Untersuchung solcher Transposons an.

Mais hat das Genom mit einer hohen Rate an springenden Genen und bietet sich daher für die Untersuchung solcher Transposons an.

Bildquelle: © Günter Haas/ pixelio.de

Um den Wirkungen der Transposons auf die Spur zu kommen, wählten die Forscher eine Pflanze aus, deren Genom einen großen Anteil an Transposons enthält: Das Maisgenom besteht bis zu 85 Prozent aus Transposons. Bereits in den späten vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts konnten in Mais die ersten mobilen Gene beschrieben werden. Barbara McClintock konnte mit ihrer systematischen Analyse die bis dahin geltende Vorstellung eines statischen Genoms widerlegen. Auch im 21. Jahrhundert ermöglicht Mais neue Einblicke in die Organisation von Genomen. Vor allem Fragen der Reaktion auf Stress rücken in den Mittelpunkt. Grundlagenforscher wollen verstehen, wie es Pflanzen gelingt, ohne davon laufen zu können, relativ schnell auf äußere Störfaktoren zu reagieren. Aber auch für die praktische Landwirtschaft sind diese Fragen wichtig, weil sie ertragsrelevant sind.

Für ihre aktuell vorgestellte Studie untersuchten die Forscher das Genom von 14 Tage alten Keimlingen dreier Maislinien (B73, Mol7, Oh43) auf genetische Reaktionen, die durch Stress verursacht wurden. Dazu setzten sie die Maispflanzen verschiedenen Stressreizen aus. Sie ließen die Pflanzen frieren, schwitzen, auf Salz wachsen und setzten diese im Sonnenbad einer energiereichen Strahlung aus, wodurch die Erbsubstanz geschädigt wird. Für den Kältestress ließen sie die Maiskeimlinge für 16 Stunden bei 5 Grad Celsius, für den Hitzestress für 4 Stunden bei 50 Grad Celsius und für den Salzstress für 20 Stunden in einer Lösung mit 300 Millimol (mM) Kochsalz wachsen. Für die energiereiche Strahlung nutzten Sie UV-Stress mit einer zweistündigen Bestrahlung mit UV-B-Lampen. Direkt im Anschluss an die Behandlung wurden Gewebeproben entnommen und die daraus isolierte RNA sequenziert. So lassen sich Rückschlüsse ziehen, welche Gene besonders aktiv sind und ob diese im Einflussbereich eines Transposons liegen.

Transposons beeinflussen die Genregulation

Im Ergebnis konnten die Forscher 20 verschiedene Transposon-Familien identifizieren, die sich auffallend häufig in der Nähe von unter Stressbedingungen hochregulierten Genen befanden. Drei weitere Familien lagen in der Nähe von unter diesen Bedingungen herunterregulierten Genen. Manche dieser Familien waren an der Reaktion auf mehrere Stresssituationen beteiligt, andere konnten die Forscher bestimmten Stressauslösern zu ordnen.

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Ein zu hoher Salzgehalt im Boden setzt Pflanzen unter Salzstress und kann dazu führen, dass auf diesen Böden keine Landwirtschaft möglich ist, wie zum Beispiel in der Gegend rund um den Aralsee.

Ein zu hoher Salzgehalt im Boden setzt Pflanzen unter Salzstress und kann dazu führen, dass auf diesen Böden keine Landwirtschaft möglich ist, wie zum Beispiel in der Gegend rund um den Aralsee.

Bildquelle: © Arian Zwegers/ wikimedia.org/ CC BY 2.0

Insgesamt lagen bis zu 33 Prozent der unter Stress aktivierten Gene und bis zu 20 Prozent der unter Stress hochregulierten Gene in der Nähe eines Transposons. Das erklärten die Forscher damit, dass die Transposons möglicherweise wie ein Verstärker (Enhancer) wirken. Enhancer fördern die Anlagerung des Transkriptionskomplexes an den Promoter-Regionen der Gene. Dadurch werden die betreffenden Gen verstärkt abgelesen und mehr Transkript, also RNA gebildet. Ob diese RNA stabil ist oder in Proteine übertragen wird, darüber sagt die Transkript-Menge zwar nichts. Mit dieser ist jedoch ein erster Schritt in Richtung einer physiologisch wirksamen Struktur gemacht.

Einblick in die Evolution?

Die Ergebnisse bieten nach Meinung der Forscher eine mögliche Antwort darauf, wie Pflanzen neue regulative Mechanismen bei Stress erwerben können. Bisher gab es nur wenige Einsichten, wie Arten ihre Genregulation unter veränderten Umweltbedingungen anpassen. Das Vorhandensein eines Transposons kann offenbar bereits Einfluss auf die Genregulation haben. Das Einfügen eines Transposons geht aber in der Regel auch mit kleinen Veränderungen der Basenabfolge einher. Auch wenn viele dieser Mutationen wieder in der Versenkung verschwinden, könnte doch eine Variation hier und da zu einer dem Organismus dienlichen Veränderung führen und ihm in einer Stress-Situation einen Vorteil verschaffen.

Im Laufe der Zeit können so neue cis-Elemente erworben werden, die das Verhalten der Pflanze unter Stress verändern und an deren Nachkommen stabil weitervererbt werden. Als cis-Elemente werden regulatorisch wirksamer DNA-Abschnitt bezeichnet, die ihre Wirkung unmittelbar vor oder nach einem Gen liegen. Start- oder Stoppsignale eines Gens sind cis-Elemente. Mit der vorliegenden Studie konnten die Wissenschaftler beweisen, dass einige Transposon-Familien wichtige Schaltstellen für Gene in ihrer unmittelbaren Umgebung aber auch für weiter entfernt liegende Stress-Gene sind. Diese Gene können spezifische Reaktionen auf einen Stress oder aber universelle Stressreaktion hervorrufen. 

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