Dem Geheimnis der Dürretoleranz auf der Spur

Keine einzelnen Schlüsselgene, sondern komplexe regulatorische Veränderungen führen bei einer Art des Büchsenkrauts zur Dürretoleranz, die andere Arten der Gattung nicht aufweisen. Das ist das Ergebnis einer Vergleichsstudie, die damit wichtige Impulse für die Züchtung geben könnte.

Längere Trockenphasen setzen den meisten Pflanzen stark zu. Einige Arten haben jedoch eine ausgeprägte Dürretoleranz entwickelt. Deren Grundlagen zu verstehen, ist von enormer Bedeutung für die Züchtungsforschung. Denn trockene Sommer wie in diesem Jahr werden künftig häufiger die Ernten gefährden. Die Erforschung der Dürretoleranz gestaltet sich jedoch schwierig, da Pflanzen mit und ohne Dürretoleranz sich meist nicht nur in dieser Hinsicht unterscheiden. Ein schlichter Genomabgleich könnte daher nicht zeigen, welche genetischen Unterschiede speziell für die Dürretoleranz maßgeblich sind.

Relativ geringe Unterschiede bei den Genen

Eine Forschergruppe unter Beteiligung der Universität Bonn wurde jetzt auf einen Glücksfall aufmerksam: In Ostafrika wachsen zwei eng verwandte Arten der Gattung Lindernia, von der eine problemlos Trockenphasen übersteht (L. brevidens), während die andere sehr empfindlich auf Wassermangel reagiert (L. subracemosa). „Wir haben nun die Genome dieser beiden Arten sequenziert und miteinander verglichen“, erklärt Dorothea Bartels vom Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen an der Universität Bonn. Die mittels SMRT-Sequenzierung erstellten Referenzgenome beider Arten ergaben relativ kleine Genomgrößen von 270 bzw. 250 Mb und bei beiden Arten den gleichen Karyotyp.

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RNA-Seq-Daten und Proteinvergleiche identifizierten 27.204 bzw. 33.344 Gene in L. brevidens bzw. L. subracemosa. 24.053 Gene haben in der jeweils anderen Art syntenische Orthologe. Außerdem fanden sich Hinweise auf eine gemeinsame Verdoppelung des gesamten Genoms in früherer Zeit. Die für L. brevidens spezifischen Gene sind vor allem mit der Chlorophyllsynthese, Mitoseregulation und Hitzereaktion assoziiert. Artspezifische Tandemwiederholungen – durch die neue Gene entstehen können – erwiesen sich bei beiden Arten als selten. Die gemeinsamen Tandemwiederholungen variieren zwischen beiden Arten allerdings stark in ihrer Länge – bis zu 26 Kopien bei L. brevidens.

Starke Abweichungen bei der Genexpression

Um die Expression der insgesamt doch relativ ähnlichen Genome bei Trockenstress zu vergleichen, entnahmen die Pflanzenforscher im Verlauf einer 14-tägigen Trockenperiode Proben zu verschiedenen Zeiten bis hin zur erneuten Bewässerung. Dabei bestätigte sich, dass L. brevidens sich 48 Stunden nach der Rehydrierung gut erholte, während L. subracemosa weitgehend abgestorben war.

Beim Wechsel von normaler Bewässerung in eine leichte Trockenperiode reagierten beide Arten gleichermaßen mit einer veränderten Expression von etwa 5.000 Genen. Doch beim Übergang zu starkem Trockenstress zeigte sich ein deutlicher Unterschied: Bei L. subracemosa sank die Zahl der abweichend exprimierten Gene auf ca. 4.000, bei L. brevidens stieg sie auf mehr als 9.000 an. Herrschte erst einmal richtige Dürre, reagierten die beiden Pflanzenarten in ihrer Genregulation gegensätzlich: Die Gene, die hoch- oder runterreguliert wurden, waren absolut nicht identisch. „Schon bei mildem Dürrestress überlappen sich die genetischen Antworten der Pflanzen kaum noch“, betont Bartels.

Eine weitere Auffälligkeit zeigten die syntenischen Genpaare: Waren bei mildem und bei starkem Trockenstress gleich viele Gene in beiden Arten hochreguliert, so lag die Anzahl der herunterregulierten Gene mit rund 1.400 bei starkem Trockenstress deutlich höher als bei mildem Stress (133). Das deutet darauf hin, dass die herunterregulierenden Wege in dürretoleranten und dürresensiblen Arten gleichermaßen konserviert sind. Ebenfalls konserviert scheint die Hochregulierung zum Zeitpunkt der Rehydrierung zu sein: Rund 2.000 syntenische Genpaare wurden in beiden Arten verstärkt transkribiert.

Neue cis-regulatorische Elemente

Vor allem cis-regulatorische Elemente wie Promotoren und Silencer zeigten sich für die Expressionsunterschiede zwischen beiden Arten verantwortlich. Häufig lagen in den Kontrollregionen von L. subracemosa Punktmutationen vor. „Wir haben bei Lindernia subracemosa Änderungen gefunden, die in der Konsequenz dafür sorgen, dass bestimmte Dürretoleranzgene gar nicht mehr abgelesen werden“, erklärt Bartels.

Die Genpaare, die nur in L. brevidens hochreguliert wurden, konnten mittels Datenbankabgleich näher klassifiziert werden. Bei mildem Trockenstress waren Gene betroffen, die mit der Antwort auf abiotischen Stress und der Biosynthese von Sekundärmetaboliten assoziiert sind – ein Hinweis auf frühzeitig aktivierte Schutzmechanismen. Die wenigen weiteren Gene, die zu späteren Zeitpunkten des Trockenstresses exklusiv bei L. brevidens hochreguliert werden, betrafen den Stofftransport, die Vakuolenorganisation und RNA-Veränderungen. Herunterreguliert wurden unter Trockenstress vor allem Gene, die mit der Photosynthese zusammenhängen – ein Hinweis darauf, dass L. brevidens anderes als L. subracemosa bereits bei leichtem Trockenstress den Photosyntheseapparat inaktiviert.

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Viele Mechanismen wie in Samen

Viele Reaktionen auf Trockenstress scheint L. brevidens bei samenspezifischen Genen und deren Regulation geborgt zu haben. So ist das Gen DOG1 essenziell für die Samenruhe und an der Expression mehrerer Hundert samenbezogener Gene beteiligt. In L. brevidens wird DOG1 stark exprimiert, wenn die Pflanze gut gewässert ist, bei Dürre jedoch herunterreguliert. Stark hochreguliert werden bei Dürre auch Gene für Oleosin und Caleosin, die in Samen als Energiespeicher während der Keimung dienen.

Zwei weitere Prozesse schützen die Blätter von L. brevidens bei Trockenheit: SGRL-Proteine, die den Chlorophylabbau blockieren können, wurden bei Dürre zahlreich produziert, wohingegen in L. subracemosa keine Expression der entsprechenden Gene nachweisbar war. Und während L. subracemosa nur über vier Gene verfügt, die für ELIPs kodieren – Proteine, die dem Schutz vor UV-Strahlung dienen –, besitzt L. brevidens davon 26, darunter eine Tandemwiederholung mit 19 Kopien. Fast alle diese Gene werden bei ausreichender Bewässerung kaum exprimiert, bei starker Trockenheit jedoch massiv. Das, so die Vermutung der Forscher, könnte sogar ein Schlüsselmechanismus für Dürretoleranz bei Landpflanzen im Allgemeinen sein.

Tandemwiederholungen wesentlich beteiligt

Stark verändert ist bei Dürre auch der Kohlenhydratmetabolismus. L. brevidens bildet in dieser Situation verstärkt die ungewöhnliche C8-Zucker-2-Oktulose im Photosynthesegewebe, die als Speicher für Saccharose dient. Die Saccharose wirkt als kompatibles Solut und stabilisiert Makromoleküle bei hohen cytoplasmatischen Konzentrationen, indem es den osmotischen Zustand der Zelle beeinflusst. Eine Schutzwirkung bei Dürre wird ebenfalls den LEA-Genen zugeschrieben. Zwei der neun LEA-Gene in L. brevidens sind durch Genverdoppelungen entstanden, die es bei L. subracemosa nicht gegeben hat. Insbesondere diese Gene sind bei Dürre in L. brevidens besonders aktiv, aber auch ein Drittel der übrigen LEA-Gene (ca. um den Faktor 30).

„Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Dürretoleranz in L. brevidens von einer komplexen Neuordnung der Kaskaden der cis-regulatorischen Elemente, von Tandemwiederholungen und der Neofunktionalisierung von Genen getrieben wird“, resümieren die Forscher. Hinzu komme die Aktivierung von samenspezifischen Transkriptionsfaktoren. Dass L. brevidens für die Dürretoleranz Mechanismen der Samen adaptiert, erscheine schlüssig: „Trockenheit und Samenentwicklung haben den gemeinsamen Stressfaktor, Wassermangel.“