Das Kreuz mit der Epigenetik

Nicht nur die DNA-Sequenz bestimmt die Ausprägung komplexer Eigenschaften wie Blütezeitpunkt und Wurzelwachstum, auch die Epigenetik spielt dabei eine Rolle. Doch wie stabil epigenetische Markierungen bei Pflanzen vererbt werden, darüber herrscht noch Uneinigkeit.

Jede Zelle unseres Körpers birgt in ihrem Zellkern die gleiche Erbsubstanz. Dass trotzdem die Zellen in Gehirn, Herz und Leber ganz unterschiedlich aussehen und fundamental verschiedene Aufgaben wahrnehmen, das verdanken wir der Epigenetik.

Durch Veränderungen an der DNA oder den Histonen, also den Proteinen, um die die DNA gewickelt ist, können bestimme Bereiche der Erbsubstanz an- oder abgeschaltet werden. Eine der bekanntesten epigenetischen Veränderungen ist die Methylierung der DNA-Base Cytosin. Immer wenn Cytosine zu Methyl-Cytosinen werden, dann wird die DNA in diesen Bereichen stillgelegt.

Pflanzen haben keine Reset-Taste

Während bei Säugetieren in den Keimzellen Methylierungen weitestgehend gelöscht werden, gibt es bei Pflanzen keine solche Reset-Taste. Komplexe Methylierungsmuster könnten also von einer Generation an die nächste weitergegeben werden. Doch ob das wirklich so ist und ob die Methylierung einen Einfluss auf die Evolution hat, darüber herrscht noch Uneinigkeit.

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Wissenschaftler haben jetzt in einer neuen Arbeit erstmals gezeigt, dass Epigenetik eine Rolle bei der Vererbbarkeit komplexer Eigenschaften wie Blütezeitpunkt oder Primärwurzellänge spielt. Sie konnten nachweisen, dass Pflanzen mit der gleichen DNA-Sequenz, aber unterschiedlichen Methylierungen ganz andere Phänotypen ausbildeten. Da sie außerdem eine Vererbung der Methylierungsmuster beobachteten, könnte sowohl natürliche als auch künstliche Selektion darauf einwirken, dass das eine oder das andere Muster sich in einer Population ausbreitet.

Um herauszufinden, ob eine Änderung in der Basenfolge oder doch die epigenetischen Markierungen der Grund für unterschiedliche Merkmalsausprägungen sind, bedienten sich die Forscher in ihrer neuen Arbeit epigenetischer rekombinanter Inzuchtlinien (epiRIL). EpiRIls zeigen kaum Unterschiede in der Basenabfolge, aber differenzieren stark im Methylierungsmuster ihrer Erbsubstanz.

Werden die Methylgruppen langfristig vererbt oder schnell wieder gelöscht?

„Es ist eine schöne Arbeit, die klar zeigt, dass epigenetische Allele, denen keine genetischen Veränderungen zugrunde liegen, wichtige Merkmale beeinflussen können“, so Detlef Weigel, der nicht an der Studie beteiligt war, aber ebenfalls zur Epigenetik forscht. „Allerdings sagt der Artikel nichts darüber aus, wie stabil diese Varianten sind.“

Tatsächlich haben die Autoren über sieben Generationen hinweg die Vererbbarkeit von epigenetischen Markierungen verfolgt. Doch sieben Generationen sind nicht besonders lang, wenn man bedenkt, dass Arabidopsis innerhalb von nur drei Monaten Saatgut ausbildet. Weigel verweist auf Ergebnisse seiner eigenen Forschungsgruppe, nach denen „spontan  auftretende epigenetische Veränderungen oft instabil sind und daher eher selten zur langfristigen Anpassung beitragen werden“.

Falls epigenetische Veränderungen tatsächlich so stabil vererbt werden, wie die Autoren der aktuellen Studie meinen, dann wäre es für Züchter tatsächlich lohnenswert, nicht nur einen Blick auf die DNA, sondern auch auf das Methylierungsmuster zu werfen. Doch der Einfluss der Epigenetik auf die Eigenschaften von Pflanzen ist auch mit diesem Paper nicht abschließend geklärt. Fest steht, dass die Methylgruppen wichtiger sind als einst angenommen. Aber ob sie langfristig stabil vererbt und von der Evolution in die eine oder andere Richtung gedrängt werden oder ob sie vorrangig spontan entstehen und vergehen, darüber wird weiter diskutiert.