Wandernde Zellkerne begründen neue Arten

Horizontaler Gentransfer an Kontaktstellen ermöglicht asexuelle Artbildung

19.06.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Menschen nutzen die Pfropfung zum Beispiel bei Obstbäumen, um sie resistenter und ertragreicher zu machen. (Bildquelle: © iStock.com/KristianSeptimiusKrogh)
Menschen nutzen die Pfropfung zum Beispiel bei Obstbäumen, um sie resistenter und ertragreicher zu machen. (Bildquelle: © iStock.com/KristianSeptimiusKrogh)

Zellkerne sind mobil und können an Kontaktstellen von Zelle zu Zelle wandern. Kommen sich zwei unterschiedliche Pflanzen kuschelig nahe und verwachsen, können durch die Wanderung der Zellkerne auf ungeschlechtlichem (asexuellem) Wege neue Arten entstehen. Diese können in vielen Merkmalen ihren Eltern überlegen sein. Der Grund hierfür ist ihre Polyploidie.

Tierzellen sind strenge Zählmeister, Pflanzenzellen zeigen sich toleranter. Die Rede ist von der Anzahl der Chromosomensätze, die sich in jedem Zellkern befinden dürfen ohne dass die Entwicklung des Organismus beeinträchtigt wird. Während Tiere fast ausschließlich diploid sind, finden sich bei den Pflanzen auch hexa-, okta- oder dodekaploide Exemplare mit jeweils sechs-, acht- oder sogar zwölffacher Ausstattung an Erbgut. Mit diesem Mehr an Erbgut gehen oftmals auch positive Veränderungen an der Pflanze einher.

Weizen beispielsweise begründet seinen kräftigen Wuchs und den hohen Ertrag auf insgesamt sechs Chromosomensätze, jeweils zwei von drei unterschiedlichen Vorläuferpflanzen. Als allopolyploid werden solche Pflanzen wissenschaftlich bezeichnet.

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Natürliche Pfropfung zwischen einer Eiche (links) und einer Buche (rechts). An Verwachsungsstellen wie diesen kann das komplette Erbgut aus dem Zellkern zwischen den beiden Pfropfpartnern ausgetauscht werden. Dies kann zur Entstehung von neuen Pflanzenarten führen.

Natürliche Pfropfung zwischen einer Eiche (links) und einer Buche (rechts). An Verwachsungsstellen wie diesen kann das komplette Erbgut aus dem Zellkern zwischen den beiden Pfropfpartnern ausgetauscht werden. Dies kann zur Entstehung von neuen Pflanzenarten führen.

Bildquelle: © MPI f. molekulare Pflanzenphysiologie

Polyploidie ist für Pflanzen von Vorteil

Erstmals haben Wissenschaftler jetzt gezeigt, dass allopolyploide Pflanzen nicht nur auf geschlechtlichem Weg entstehen können, also durch Bestäubung gefolgt von Genomduplikation. Auch auf ungeschlechtlichem Weg ist die Entstehung neuer Arten möglich. Einzige Bedingung ist, dass zwischen den unterschiedlichen Pflanzen eine Kontaktstelle besteht.

Denn Ralph Bock und seine Mitarbeiter vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie fanden heraus, dass pflanzliche Zellkerne ihre Zelle verlassen und in eine Nachbarzelle einwandern können. Dort verschmelzen sie spätestens bei der ersten Zellteilung mit dem eigentlichen Zellkern und bilden eine neue allopolyploide Zelle, die das Erbgut aus zwei verschiedenen Arten in sich trägt.

Artgrenzen stören die Pflanzen wenig, die Genome sind flexibel

Bei ihren Experimenten pfropften sie zwei unterschiedliche Tabaksorten aufeinander, den Baumtabak Nicotiana glauca und den Zigarrentabak Nicotiana tabacum. Jede dieser Tabakpflanzen war mit einem zusätzlichen Gen für Antibiotikaresistenz ausgestattet worden. Nachdem die Pflanzen verwachsen waren, schnitten die Forscher kleine Stücke aus der Pfropfungsstelle aus und prüften ob beide Resistenzgene vorhanden waren.

Tatsächlich war das häufig der Fall. Eine Messung des DNA-Gehalts bestätigte, dass wirklich das gesamte Genom aus einer Zelle in die andere übergegangen war und nicht etwa nur das Gen für die Antibiotikaresistenz. „Wir wissen bisher aber nicht, warum und wie sich die Zellkerne von einer Zelle in die andere bewegen“, erklärt Ralph Bock. Schließlich sind die Zellkerne verhältnismäßig groß und sollten eigentlich nicht durch die Verbindungen zwischen den Zellen (Plasmodesmata) hindurch passen.

Aus den allopolyploiden Zellen regenerierten die Wissenschaftler fruchtbare Pflanzen, die sie auf den Namen Nicotiana tabauca tauften. N. tabauca überragte im Gewächshaus ihre Eltern. Andere Eigenschaften, wie die Blütenmorphologie oder die Blattform, lagen zwischen den Ausprägungen der Elternpflanzen. „Jetzt wollen wir über mehrere Generationen überprüfen, wie stabil das Genom von N. tabauca ist“, sagt Bock. Obwohl die Allopolyploidie für Pflanzen häufig vorteilhaft ist, werden bei neuen allopolyploiden Pflanzen die Genome in den folgenden Generationen weiter optimiert, indem beispielsweise unnötige oder störende Chromosomenstücke abgestoßen werden.

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Bei ihren Experimenten pfropften die Forscher zwei unterschiedliche Tabaksorten aufeinander, den Baumtabak Nicotiana glauca und den oben abgebildeten Zigarrentabak Nicotiana tabacum.

Bei ihren Experimenten pfropften die Forscher zwei unterschiedliche Tabaksorten aufeinander, den Baumtabak Nicotiana glauca und den oben abgebildeten Zigarrentabak Nicotiana tabacum.

Bildquelle: © Pflanzenforschung.de

Doch nicht nur im Gewächshaus, auch in der Natur können aus wenigen Zellen neue Triebe und Pflanzen entstehen. Besonders häufig ist das der Fall, wenn das Gewebe verletzt wird, beispielsweise durch Schnitte bei der Pfropfung, aber auch durch gefräßige Insekten oder hungrige Tiere. Dann können an diesen Stellen neue Triebe wachsen, die Blüten und Samen ausbilden. Wenn dies mit allopolyploiden Zellen passiert, können sie somit den Grundstein für eine neue Art legen.

Ist das der Weg zu völlig neuen Nutzpflanzen?

Eventuell eröffnen die wandernden Zellkerne eine neue Möglichkeit für die züchterische Verbesserung von Pflanzen. Zwar kann ein Genomtransfer auch auf künstlichem Wege mit Hilfe der Protoplastenfusion erfolgen. Diese Methode ist jedoch technisch anspruchsvoll und konnte bisher nur bei wenigen Spezies überhaupt durchgeführt werden.

Wesentlich einfacher ist es da, unterschiedliche Pflanzen einfach aufeinander zu pfropfen und den reisefreudigen Zellkernen die restliche Arbeit zu überlassen. Grundsätzlich kann man jede Pflanze pfropfen, nur bei den einkeimblättrigen Pflanzen wie z.B. Gräser oder Getreide funktioniert es nicht, da die unregelmäßige Anordnung der Leitbündel das Zusammenwachsen der Leitungsbahnen verhindert.

Als nächsten wollen Ralph Bock und seine Mitarbeiter Pfropfungen mit unterschiedlichen Nutzpflanzen wie Tomate, Paprika und Auberginen herstellen und dabei eventuell neue Arten mit landwirtschaftlich interessanten Eigenschaften erzeugen.  „Die spannende Frage ist außerdem, wie weit entfernte Arten wir kombinieren und trotzdem noch fruchtbare Nachkommen erzeugen können“, erläutert Bock. Bei natürlich entstandenen Allopolyploiden scheinen Artgrenzen bisher kaum eine Rolle gespielt zu haben.

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