Inzuchtdepression: Epigenetische Prozesse spielen eine Rolle

22.08.2012 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzen, die an Inzuchtdepression leiden sind anfälliger - z.B. für Krankheiten oder Schädlinge. (Quelle: © iStockphoto.com/ richard jemison)
Pflanzen, die an Inzuchtdepression leiden sind anfälliger - z.B. für Krankheiten oder Schädlinge. (Quelle: © iStockphoto.com/ richard jemison)

Nachkommen von nah verwandten Pflanzen sind oft schlechter an ihre Umwelt angepasst und dadurch anfälliger. Sie leiden unter einer sogenannten Inzuchtdepression. Aber nicht nur genetische, auch epigenetische Faktoren spielen bei diesem Phänomen eine Rolle. Dies haben Wissenschaftler in Experimenten nun nachweisen können.

Unter Inzuchtdepression versteht man negative Auswirkungen auf die Fitness eines Individuums, welcher durch fortwährendes Einkreuzen von Individuen der gleichen Abstammungslinie hervorgerufen wird. Fitness meinte hier jedoch nicht die umgangssprachliche Sportlichkeit, sondern die Angepasstheit an die Umwelt (bei Pflanzen z.B. Resistenzen gegen Schädlinge, Krankheiten oder Trockenheit). Kreuzt man nah verwandte Pflanzen immer wieder miteinander, wird die gleiche Erbinformation weitergegeben. Das führt dazu, dass nur noch  bestimmte Allele weitervererbt werden. Der Genpool der entsprechenden Population bzw. Art wird dadurch stetig verkleinert.

Inzuchtdepression hat demnach Auswirkungen auf zahlreiche Aspekte der Populationsdynamik. Das Phänomen tritt häufig bei Pflanzen und Tieren auf und ist vor allem ein Problem in kleinen und isolierten Populationen. Im schlimmsten Fall kann es zum Aussterben dieser führen.

Bisher schob man diese negativen Effekte auf rezessiv vererbte Gene mit schädlichen Wirkungen. Diese kommen zur Ausprägung wenn beide Eltern Träger dieser Gene sind. Eine neue Studie zeigt jedoch nun, dass bei Pflanzen neben genetischen auch epigenetische Prozesse eine Rolle bei der Entstehung von solchen negativen Inzucht-Effekten spielen können. Die Epigenetik beschäftigt sich mit phänotypischen Ausprägungen, die nicht auf den Genotyp zurückzuführen sind.  

Dazu untersuchte das Forscherteam die Tauben-Skabiose (Scabiosa columbaria), eine krautige Pflanze mit violetten Blüten, die in ganz Europa heimisch ist. Die Pflanzen wurde in Experimenten im Gewächshaus miteinander gekreuzt: Einmal mit verwandten Pflanzen (Inzucht) und einmal mit Elternpflanzen, die nicht miteinander verwandt waren. Die Forscher verglichen die Nachkommen der beiden Zuchtvarianten und stellten fest, dass die Inzuchtlinie wesentlich anders auf Umwelteinflüsse reagierte, als Nachkommen, die nicht aus Inzucht hervorgingen. Die Pflanzen der Inzuchtlinie waren sehr anfällig und starben schnell ab bei Trockenheit und nährstoffarme Böden, wohingegen die anderen Nachkommen bei denselben Bedingungen wesentlich widerstandsfähiger waren.

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Nah verwandte Pflanzen der Tauben-Skabiose (Scabiosa columbaria) wurden in Experimenten miteinander gekreuzt. Die Nachkommen litten an einer Inzuchtdepression.

Nah verwandte Pflanzen der Tauben-Skabiose (Scabiosa columbaria) wurden in Experimenten miteinander gekreuzt. Die Nachkommen litten an einer Inzuchtdepression.

Quelle: © Stan Shebs / Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Epigenetische Prozesse konnten nachgewiesen werden

Daraufhin untersuchten die Forscher die Unterschiede einmal genauer. Bei der Inzuchtlinie fanden sie neben einer eingeschränkten Photosyntheseleistung und verlangsamter Reifung auch 10% mehr Methylgruppen im Genom der Pflanzen. Bei der Inzuchtlinie waren demnach DNA-Methylierungen häufiger. Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um einen epigenetischen Prozess bei dem chemische Verbindungen (die Methylgruppen) auf ausgewählte DNA-Basen übertragen werden. Dieser Vorgang geschieht mit Hilfe von Enzymen. Dabei handelt es sich nicht um eine genetische Mutation, sondern lediglich um eine Modifikation der DNA, da deren ursprüngliche Basenabfolge erhalten bleibt. Die DNA-Methylierung steuert jedoch die Expression von Genen und ist somit für einen veränderten Phänotyp verantwortlich.

Ein weiterer Beweis

Den Forschern gelang es zudem die Inzuchtdepression in den Nachkommen der Inzuchtlinie quasi verschwinden zu lassen. Sie präparierten dazu die Samen der Inzuchtlinie: Mit Hilfe eines chemischen Stoffes (5-Azacytidin) entfernen sie die Methylgruppen wieder aus der DNA; was man daher auch Demethylierung nennt. Sie machten also die DNA-Methylierung rückgängig. Die daraus gewachsenen Pflanzen wiesen daraufhin keine Anzeichen einer Inzuchtdepression mehr auf. Sie waren nun mit den Nachkommen vergleichbar, deren Eltern nicht verwandt waren - selbst unter Stress. Dieser Versuch beweist, dass die DNA-Methylierung eine Ursache der Inzuchtdepression und keine Folge davon ist.

Weitere Forschung ist nötig, um diese epigenetischen Variablen genauer zu verstehen. Fest steht: Die Ergebnisse zeigen einen neuen Ansatz auf und bringen die bisherige Theorie zur Inzuchtdepression ins Wanken. Versuche mit anderen Populationen und die Konzentration auf andere Merkmale, könnten helfen die hier präsentierten Ergebnisse zu untermauern und klären wie genau die Inzuchtdepression entsteht.  Epigenetische Vorgänge, so ein Rückschluss der Forscher aus der Studie, könnten auch in anderen Organismen eine wichtige Rolle bei der Herausbildung von Inzuchtdepression spielen.

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