An Arabidopsis führt kein Weg vorbei

An sich ist die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) eine unscheinbare Pflanze. Für viele Wissenschaftlicher führt jedoch kein Weg an der Ackerschmalwand vorbei. Prof. Dr. Thomas Altmann vom Institut für Kulturpflanzenforschung und Pflanzengenetik (IPK) in Gatersleben erklärt Pflanzenforschung.de wie, die kleine Pflanze sein Forscherleben begleitet.

Am IPK leitet Prof. Altmann die Abteilung für Molekulare Genetik. Forschungsschwerpunkt der Abteilung ist die molekulare Biologie und Physiologie der Leistungen von Pflanzen wie der Bildung von Samen und von Biomasse. Neben seinen in jüngerer Zeit aufgenommenen Arbeiten an Kulturpflanzen wie dem Mais, arbeitet Prof. Altmann seit seinem Studium mit Arabidopsis. Ab 2001 arbeitete er im internationalen Koordinierungsgremium zur Arabidopsis-Forschung (Multinational Arabidopsis Steering Committee, MASC) mit. Nach dem Abschluss der Genomsequenzierung im Jahr 2000 konzentrierte sich dieses Gremium auf die Koordination der weltweiten Anstrengungen zur Genfunktionsaufklärung bei Arabidopsis.

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Pflanzenforschung.de: Was ist für Sie das Besondere an Arabidopsis?

Thomas Altmann: Es gibt drei Bereiche, welche die Bedeutung von Arabidopsis für die Forschung sichtbar machen.

Zum einen sind es die exzellenten methodischen Voraussetzungen, die für diese Pflanze existieren. Neue Untersuchungsmethoden werden häufig an Modellorganismen entwickelt. Damit entsteht ein zeitlicher Vorsprung, was die Verfügbarkeit von innovativen Technologien angeht. In der Pflanzenforschung hat sich die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellorganismus weltweit etabliert. Aber auch die verfügbaren exzellenten biologischen Ressourcen wie z. B. die umfangreichen Sammlungen von Insertionslinien sind eine wichtige Basis für die Forschung.

Ein zweiter Bereich sind die vorliegenden umfassenden Kenntnisse über das biologische System Arabidopsis. Die Kenntnis über das Genom von Arabidopsis in Kombination mit den zellbiologischen, molekularbiologischen und biochemischen Grundlagen und den zur Verfügung stehenden genetischen Ressourcen, haben zu einem hohen Informationsstand geführt. Vergleichbares gibt es für keine andere Pflanze. Damit eröffnet das Modellsystem Arabidopsis die besten Möglichkeiten, um fundierte Schlussfolgerungen zu ziehen. Wenn es darum geht, Forschungsergebnisse an anderen Pflanzen zu interpretieren ist Arabidopsis die wichtigste Referenz.

Und als dritten Punkt gibt es rund um Arabidopsis eine Forschergemeinschaft mit hoher Bereitschaft zur Kooperation und offenem Austausch von Daten und Materialien. Dieses Netzwerk von Wissenschaftlern ermöglicht eine exzellente Forschung.

Pflanzenforschung.de: Welche Forschungsergebnisse mit der Modellpflanze Arabidopsis hatten nach Ihrer Meinung die größte Wirkung auf die Pflanzenforschung?

Thomas Altmann: Als erstes sind in meinen Augen vor allem die Erkenntnisse im Bereich der pflanzlichen Entwicklungsprozesse zu nennen. Hierzu gehören die Samen- und Embryoentwicklung, die Entwicklung von Wurzel- und Sproßmeristemen genauso wie die Organisation und Differenzierung von Organen wie Blüten, Blätter oder die Wurzel. Die genetische Steuerung dieser Prozesse zu verstehen, wurde durch die Arbeiten am Modell erst möglich. Der Einfluss von Umweltreizen wie Licht, Tageslänge oder Tagesrythmus auf die Gestalt von Pflanzen oder die Induktion der Blüte, konnten an Arabidopsis erforscht und verstanden werden.

Auch bei den Wechselwirkungen mit der Umwelt ist Arabidopsis eine wichtige Quelle für neue Informationen gewesen. Neben Reaktionen und Toleranzmechanismen gegenüber abiotischem Stress (wie z. B. Trockenheit oder hohe/niedrige Temperaturen) wurden umfangreiche Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von Arabidopsis mit Pathogenen gewonnen, über deren Erkennung durch die Pflanze sowie über Abwehrmechanismen. Darüber hinaus konnte man auch wichtige Rückschlüsse auf die Evolution von Pflanze und Pathogen ziehen, die wiederum hilfreich bei der Erforschung anderer pflanzlicher Krankheitserreger sind.

Des Weiteren wurden die Wirkungsweisen mehrerer neue Phytohormone und hormonähnlicher Substanzen durch Arabidopsis aufgedeckt. Spektakuläre Ergebnisse wurden bei der Entdeckung von Phytohormonrezeptoren erzielt. In den letzten Jahren z. B. für Auxin oder der Abszisinsäure. Für alle wichtigen Phytohormone, die entscheidende Bedeutung bei der Steuerung vielfältiger Prozesse besitzen, existieren inzwischen umfangreiche Kenntnisse über deren Wahrnehmung und die nachgeschalteten Signalwegketten. Interessant wird in Zukunft vermehrt die Aufklärung der Wechselwirkungen zwischen diesen Signalketten sein. Das die unterschiedlichen Signalwege miteinander interagieren, davon kann bereits heute ausgegangen werden.

Im Bereich der sogenannten 'kleinen RNAs' und ihrer Wirkung bei der Expressionskontrolle von Genen liefert Arabidopsis mit die wichtigsten Erkenntnisse über die beteiligen Komponenten und Mechanismen.

Ein großes Augenmerk wird im Moment auf die Untersuchung der natürlichen Vielfalt bei Arabidopsis gelegt, das heißt auf die Entschlüsselung weiterer Genomsequenzen. Bisher sind mehr als 80 verschiedene Genomsequenzen bekannt. Jeder Interessierte, egal ob Wissenschaftler oder Laie, kann auf diese zugreifen.

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Pflanzenforschung.de: Wie wird der Stand der Forschung in zehn Jahren aussehen?

Thomas Altmann: Ich gehe davon aus, dass bis Ende 2010 mehr als 1.000 Genomsequenzen von unterschiedlichen Arabidopsis-Populationen bekannt sein werden. In zehn Jahren werden wir das gesamte Spektrum ermittelt haben, inklusive aller dann bekannten natürlichen und vieler im Labor erzeugter genetisch veränderter Varianten. Ebenso für verwandte Arten. Die Sequenziertechnologie entwickelt sich da im Moment sehr rasant.

Wir werden viele neue Erkenntnisse über wichtige genetische Phänomene gewonnen haben wie zum Beispiel Heterosis. An der Aufklärung dieses Phänomens arbeiten wir in einem größeren Verbund gemeinsam mit anderen Kollegen. Ebenso werden neue Erkenntnisse zu Inkompatibilitäten zwischen verschiedenen Linien hinzukommen. Der Bereich der Wechselwirkungen zwischen Erbgutvarianten und der Umwelt (Genotyp-Umwelt-Interaktion) wird verstärkt erforscht sein.

In hohem Maße präzise erfasste Eigenschaften von Pflanzen (Phänotypisierung) werden in Bezug zu Variationen im Genom gesetzt worden sein. Verstärkt werden auch die Modifikation der DNA zum Beispiel durch Methylierung oder veränderte Chromatinstrukturen und deren Auswirkungen auf die Merkmalsausprägung aufgeklärt werden. Über die umfassenden Kenntnisse der Regulation individueller molekularer Prozesse hinaus wird man mehr in Richtung der Wechselwirkungen und Interaktionen zwischen verschiedenen Signalübertragungsketten geforscht haben. Netzwerke, Rückkopplungen und Kontrollwirkungen werden aufgeklärt und die Gesamtreaktion der Pflanze auf die Umwelteinflüsse besser verstanden sein.

Diese Ergebnisse werden die Grundlagen für eine gezielte Züchtung von Kulturpflanzen. Wir sprechen auch von einer vorhersagbaren (prädiktive) oder rationalen Pflanzenzüchtung.

Pflanzenforschung.de: Bleibt Arabidopsis das führende Modell in der Pflanzenforschung?

Thomas Altmann: Arabidopsis wird anderen Modellpflanzen immer einen oder mehrere Schritte voraus sein, weil neue Verfahren zuerst mit Arabidopsis entwickelt und ausprobiert werden. Seine grundsätzlichen Vorzüge bleiben ja trotz allen Fortschritts bestehen. Allerdings werden andere Modellpflanzen dazukommen, die als Ergänzung dienen oder in Kombination mit Arabidopsis neue Ergebnisse liefern werden. Dazu zählt z. B. die Zwenke (Brachypodium distachyon), die als Repräsentant der Gräser mit einem relativ kompakten (und inzwischen auch sequenzierten) Genom, geringer Größe und einer kurzen Generationszeit ähnlich günstige Eigenschaften hat wie Arabidopsis. Ferner sind Vertreter z. B. der Leguminosen (Hornklee Lotus japonicus und Schneckenklee Medicago truncatula), der Solanaceen (Tomate, Kartoffel) und der Getreide (Reis, Mais, Gerste) und der Weidengewächse (Pappel) zu nennen, die z. T. nicht nur als Modell sondern selbst auch als wichtige Kulturpflanzen von Bedeutung sind.

Pflanzenforschung.de: Was kann man mit Arabidopsis noch alles erreichen? Wo sehen Sie Begrenzungen?

Thomas Altmann: Die grundlegenden Prozesse werden wohl auch weiterhin an Arabidopsis untersucht werden, weil hier die meisten Erkenntnisse vorliegen. Aber es gibt natürlich Bereiche, in denen Arabidopsis uns nicht weiterhelfen kann, wie zum Beispiel im Bereich der Wechselwirkungen mit Symbionten wie den Mykorrhizapilzen oder den Stickstoff fixierenden Knöllchenbakterien. Das betrifft auch die Forschung an Pathogenen, die nicht mit Arabidopsis in Verbindung stehen. Die Untersuchung der Bildung und Funktion von Knollen und Zwiebeln und bestimmten Blütenformen kann nicht an Arabidopsis durchgeführt werden, ebenso keine Forschungen zur Mehrjährigkeit und zur bestimmten wichtigen Stoffwechselprozessen wie der C4-Photosynthese oder der Bildung vielfältigster sekundärer Inhaltsstoffen, die in Arabidopsis nicht vorkommen.

Arabidopsis bietet auch keinen Ersatz für Kulturpflanzenforschung, aber sie ist auch hier wichtig als Referenzorganismus. Die komplexen Eigenschaften einer Pflanze werden zuerst an Arabidopsis beobachtet und dann anderen Pflanzen gegenübergestellt und verglichen. So kann man wichtige Schlüsse über Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Ablauf und der Regulation von Prozessen in Pflanzen ziehen.

Pflanzenforschung.de: Wie hoch ist die Bedeutung von Arabidopsis in der Krebsforschung einzuschätzen?

Thomas Altmann: Erkenntnisse aus der Forschung mit Arabidopsis können wichtige Hinweise auf grundlegende molekulare und zelluläre Prozesses liefern, die auch an der Krebsentstehung bzw. allgemein bei einer Reihe genetisch bedingter menschlicher Erkrankungen beteiligt sind. Dies ist möglich, da es in Arabidopsis ein ganze Reihe homologer Gene zu denen des Menschen gibt, die an der Entwicklung von Krebs oder anderen Erkrankungen beteiligt sind und die in die gleichen grundlegenden Prozesse involviert sind.

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Pflanzenforschung.de: Wie sah Ihr erster Kontakt mit Arabidopsis aus?

Thomas Altmann: Meinen ersten Kontakt mit der Ackerschmalwand hatte ich zu Beginn meiner Diplomarbeit bei Professor Willmitzer am Institut für Genbiologische Forschung GmbH (IGF) in Berlin. Als Thema sollte ich ein Transposon-Insertionsmutagenese-System für Arabidopsis entwickeln, indem modifizierte Transposons („springende Gene“) aus dem Mais in das Erbgut dieser Pflanze eingebaut und dann mobilisiert wurden. Durch das Hineinspringen in Gene von Arabidopsis wurden diese gleichzeitig inaktiviert (mutiert) und markiert, so dass sie molekular leicht identifiziert werden konnten.

Pflanzenforschung.de: Haben Sie persönliche Anekdoten in Bezug auf Arabidopsis?

Thomas Altmann: Zum Beispiel habe ich bei meiner Arbeit mit dem erwähnten Transposon-System am IGF verschiedene Arabidopsis-Mutanten identifiziert, darunter auch extrem kleinwüchsige Pflänzchen, die wir 'Kohlköpfchen', auf Englisch 'cabbage', genannt haben. Als ein Kollege von einer Konferenz berichtete, in der die Wirkung wachstumsfördernder Brassinosteroide vorgestellt wurde, prüften wir den Effekt dieser Substanzen auf die Mutanten. Und tatsächlich zeigte sich, dass sie an einem Brassinosteroid-Mangel litten. Das war der erste eindeutige Beweis dafür, dass Brassinosteroide eine entscheidende hormonähnliche Wirkung in Pflanzen haben und deren Wachstum steuern.

Eine weitere Anekdote war die Arbeit zur Klonierung von Arabidopsis-DNA in ein bakterielles Vektorsystem. Von dieser Art der Klonierung hatte ich 1992 auf einer Konferenz das erste Mal gehört. Ich erkundigte mich bei Mel Simon, in dessen Labor am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena in den USA damals das System der BACs (Bacterial Artificial Chromosomes) entwickelt wurde, in erster Linie zur Klonierung von Human-DNA  Er war sofort begeistert von der Idee, das auch mal mit einer Modell-Pflanze wie Arabidopsis zu versuchen. Also ging ich Anfang 1993 für drei Monate nach Pasadena und arbeitete mit dieser Technik, das Ergebnis war der Ausgangspunkt für die genomische BAC-Bank und die physische Karte von Arabidopsis, die wir später erstellt haben und die eine der wesentlichen Grundlagen für die Sequenzierung des Arabidopsis-Genoms darstellte.

Pflanzenforschung.de: Vielen Dank für das Gespräch!