Evolutionäre Entwicklungsstudien

Moose gehören zu den ersten Landpflanzen und beherbergen noch heute zahlreiche Gene, die in ähnlicher Form wichtige Funktionen bei den Blütenpflanzen regulieren. Über genetische Vergleichsstudien können Wissenschaftler besser verstehen, wie sich bestimmte pflanzliche Organe entwickelt haben und so eine wichtige Basis schaffen, um unsere Nahrungspflanzen widerstandsfähiger und ertragreicher zu machen.

„Von nichts hängt unser modernes Leben mehr ab als von den Blütenpflanzen. Weil in der westlichen Welt bisher alles im Übermaß vorhanden ist, ist uns diese Abhängigkeit nur selten bewusst“, so Jörg Becker vom Plant Genomics Lab des Instituto Gulbenkian de Ciência in Oeiras, Portugal. Blütenpflanzen sind im menschlichen Leben allgegenwärtig: Wir brauchen Blütenpflanzen zum Essen, für Kraftstoffe, Kleidung und Baumaterialien. Mit der wachsenden Weltbevölkerung wird auch die Nachfrage nach Nahrungs- und Futtermitteln, sowie nach Energie steigen. Gleichzeitig wird landwirtschaftlich nutzbares Land immer knapper werden, Klimawandel und abnehmende Biodiversität werden das Problem zunehmend verschärfen. Um die Reproduktion von Nahrungspflanzen künftigen Gegebenheiten anpassen zu können, widmet sich eine Gruppe internationaler Wissenschaftler der sexuellen Fortpflanzung von höheren Pflanzen.

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Evolutionsbiologisch wie Mensch und Fisch

Vor etwa 460 Millionen Jahren haben die Angiospermen (Bedecktsamer) und die Moospflanzen begonnen, sich getrennt zu entwickeln. „Evolutionsbiologisch betrachtet sind sie etwa so weit voneinander entfernt wie der Mensch vom Fisch“, erklärt Jörg Becker, Mitglied des EVOREPRO Forschungsprojekts. Zusammen mit Wissenschaftlern aus den USA und England hat er gerade eine Publikation veröffentlicht, in der er Aspekte des Lebenszyklus von Moospflanzen im Vergleich zu den Bedecktsamern untersucht hat. 

Moos als Untersuchungsobjekt

Forscher der evolutionären Entwicklungsbiologie gehen der Frage nach, wie sich bestimmte Organe und spezialisierte Zellverbände aus Vorläufern entwickelt haben. Über funktionelle, genetische Vergleichsstudien können Wissenschaftler genetische Veränderungen ausfindig machen, die für die Entstehung neuer Organe verantwortlich sind. Als Modellorganismus eignet sich Moos für solche Studien besonders gut. „Moos ist eine der ersten Landpflanzen, leicht zu kultivieren und genetisch zu manipulieren“, fasst Jörg Becker die Vorteile von Physcomitrella patens zusammen.

Transkriptom-Atlas von Physcomitrella patens

Becker und seine Kollegen haben gerade einen Transkriptom-Atlas von Physcomitrella patens erstellt, der die meisten Stadien im Lebenszyklus der Moospflanze beinhaltet. Er liefert auch detaillierte Informationen darüber, wie sich der Sporophyt der Moospflanze entwickelt. Beim Sporophyten handelt es sich um die diploide Generation im Generationswechsel der Moospflanze. Die grüne Moospflanze ist der haploide Gametophyt, der den nur aus der Kapsel (dem Sporogon) und ihrem Stiel (der Seta) bestehenden Sporophyt ernährt. „Bei den Angiospermen hingegen ist der Sporophyt die dominante Generation und die Gametophyten entwickeln sich erst relativ spät im Lebenszyklus in den Blüten“, so Becker.

Transkriptionsfaktoren verbinden alt mit neu

„Wenn wir wissen möchten, welche Gene einen bestimmten Vorgang steuern, schauen wir uns an, welche Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt vermehrt abgelesen werden - oder auch stillgelegt sind“, erklärt Becker. Für Physcomitrella gab es dazu bisher nur lückenhafte Daten. Beispielhaft konzentrierten sich die Forscher zunächst auf die Sporophyten-Entwicklung. Sie entdeckten zahlreiche Spoprophyten-spezifische Transkriptionsfaktoren und konnten zeigen, dass viele dieser Gene homologe Gene in den Angiospermen besitzen. Dort steuern diese Gene wichtige Entwicklungsprozesse wie das Wachstum von Trieben und Verzweigungen, also die Differenzierung des Organismus.

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TCP unterdrückt Ausbildung von Seitentrieben

Zwei der betrachteten Transkriptionsfaktoren waren bei der Sporophytenbildung besonders stark exprimiert. „Ein TCP Transkriptionsfaktor („teosinte branched 1 (tb1)“) beispielsweise kommt auch in Mais, nicht aber bei dessen Vorläufer, der Teosinte, vor. Durch seine Aktivität wird die Bildung von Seitentrieben unterdrückt und die Pflanze investiert mehr in die Fortpflanzung und somit letztendlich in Maiskolben“, erklärt Jörg Becker. Als die Forscher einen der Transkriptionsfaktoren im Moos ausschalteten, bildete der Sporophyt statt einer gleich mehrere Kapseln aus. „Auch hier unterdrückt der Transkriptionsfaktor die Ausbildung von Seitentrieben“, so Becker.

Barrieren der Hybridisierung überwinden

„Was wir machen, ist Grundlagenforschung“, erklärt Becker. „Wir schauen uns die frühen Landpflanzen an, um besser zu verstehen, was in den für uns so wichtigen Angiospermen passiert.“ Langfristiges Ziel der Wissenschaftler ist es, Pflanzen während der empfindlichen Phase der Fortpflanzung resistenter zu machen. Auch die Barrieren der Hybridisierung sollen in Zukunft überwunden werden. „Wenn wir besser verstehen, dass bei diesem Prozess zum Beispiel auch auf der Ebene der Epigenetik vor sich geht, können wir einige der Hybridisierungsbarrieren durchbrechen. Denn Hybride haben oft viel vorteilhaftere Eigenschaften als die Elternpflanzen“, so Becker. So überragen diese ihre Eltern in Wuchs oder beim Ertrag. Endziel der Grundlagenforschung sei, Wissen zu schaffen, auf dessen Basis sich die Erträge von Nutzpflanzen erhöhen lassen.