Kleine Unterschiede mit großer Wirkung

Wenn sich bei Nutzpflanzen die Kultursorte und der Wildtyp in puncto Genotyp kaum unterscheiden, dafür aber deutlich im Phänotyp, ist die Ursache häufig auf regulatorischer Ebene zu finden. Dies bestätigt ein aktuelles Beispiel aus der Pflanzenforschung an der Sojabohne. Entscheidend für die Größe, das Gewicht und den Ölgehalt der Samen ist nach dieser Studie vor allem das Transkriptom. Genau genommen kleine Veränderungen in den Promotoren der Gene GA20OX und NFYA.

Soja (Glycine Max) ist eine der bedeutendsten Ölsaaten weltweit. Betrachtet man ausschließlich das ökonomische Potenzial, hat Soja sogar das größte wirtschaftliche Gewicht. Aus den Wertschöpfungsketten der globalen Lebensmittel- und Futtermittelerzeugung, aber auch aus der Biokraftstoffindustrie sind Sojabohnen nicht mehr wegzudenken. Kaum ein verarbeitetes Lebensmittel kommt heute ohne Soja-Lecithin aus und ähnlich dem Raps in Europa basiert fast die komplette Biodieselproduktion der USA auf Soja.

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Soja - Mehr als nur Fleischersatz

Aus diesem Grund dürfte eine aktuelle Studie das Interesse auch außerhalb der Wissenschaft wecken. Zumal es um die Steigerung des Ölgehalts in den Sojasamen geht, welcher mit ca. 20 % Trockengewichtanteil im Vergleich zum hohen Eiweißgehalt (ca. 40 %) noch optimierungswürdig erscheint.

Doch auch darüber hinaus, jenseits der Soja-Industrie, wartet die Studie mit Interessantem auf: Sie zeigt, dass Kultivierung und Domestikation nicht immer nur mit Sequenzveränderungen in proteincodierenden Abschnitten (Exon) einhergehen, sondern sich in bestimmten Fällen bzw. Merkmalen hauptsächlich auf der regulatorischen Ebene, dem Transkriptom, abspielen. Eine Vermutung, die seit einigen Jahren zur Gewissheit reift.

Wenn der Genotyp als Erklärung nicht ausreicht

Wie sonst aber, fragen die Forscher, könne erklärt werden, dass sich Wild- und Kultursoja im Phänotyp so stark unterscheiden, im Genotyp jedoch so sehr ähneln? Eine Frage, die auch auf andere Nutzpflanzenarten zutrifft, z. B. den Kulturmais (Zea mays) und seinen wilden Verwandten, die Teosinte (Euchlaena mexicana).

Studien zufolge unterscheiden sich die Nukleotidsequenzen der Sojagenome von Wild- und Kulturtypen nur in 0,31 %. Grund genug für die Forscher, mit der Ursachenforschung auf der regulatorischen Ebene zu beginnen. Im Fokus standen dabei die Samen, die bei Wild- und Kulturtypen mit nahezu den gleichen genetischen Informationen ausgestattet sind, in puncto Größe, Gewicht und Ölgehalt jedoch stark variieren.

Ursachenforschung im Transkriptom

Ziel der Wissenschaftler war es, die genetischen Hintergründe zu identifizieren, die die Samen der Kultursoja im Vergleich zu ihren wilden Verwandten größer, schwerer, fett- und ölhaltiger machen. Hierzu führten sie mehrere Transkriptomanalysen an den Samen beider Vertreter durch. Das heißt, sie untersuchten und verglichen die Gesamtheit aller transkribierten RNA-Moleküle während der Samenentwicklung, um herauszufinden, welche Gene dabei aktiv sind, vor allem aber wo genau die entscheidenden Unterschiede liegen.

GA20OX und NFYA machen den Unterscheid

Zwei von insgesamt 2.680 unterschiedlich aktivierten Genen stachen dabei hervor: Zum einen das für ein Enzym mit der Bezeichnung GA20OX, das bei der Produktion des Phytohormons Gibberellin eine tragende Rolle spielt und dessen Aktivität positiv auf die Größe und das Gewicht der Samen wirkt. Zum anderen das für einen Transkriptionsfaktor namens NFYA, der vor allem den Fett- bzw. Ölgehalt der Samen erhöht, indem er die Expression von sechs zentralen Genen der Fettsäuresynthese (WIR, LPD1, FatA, SAD und KAS1) steuert.

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Neuer Impulse für zukünftige Züchtungsstrategien

Das Bemerkenswerte war, dass die codierenden Abschnitte von GA20OX und NFYA im Zuge der Kultivierungshistorie der Soja bis heute stark konserviert, also nahezu unverändert geblieben sind. Immerhin zählt die Sojabohne zu den ältesten Kulturpflanzen der Erde und hat durch Menschenhand seit Jahrtausenden Selektion und Züchtung erfahren. Ausschlaggebend für die Entstehung der großen und ölhaltigen Samen der Kultursoja waren vor allem Veränderungen in Form von eingeschobenen Nukleotidsequenzen (Intron) in den Promotorregionen. Die Startbereiche von Genen, welche der Informationseinheit vorgelagert sind. Im Fall der Sojabohne waren es Veränderungen in den Promotoren von GA20OX und NFYA.

Erstautor Xiang Lu fasst zusammen: „Womit wir es hier nachweislich zu tun haben ist ein Selektionsmechanismus, bei dem die Genexpression von Anfang an im Zentrum stand.“ Er und seine Kollegen sind sich sicher, dass diese bei der Entwicklung zukünftiger Züchtungsstrategien an Bedeutung gewinnen wird. Und zwar nicht nur bei Soja, sondern auch bei anderen wichtigen Nutzpflanzen.

Wissen für heimische Leguminosen

Interessant ist nun, ob und wie sich das erworbene Wissen auch auf andere, insbesondere die in Europa heimischen Hülsenfrüchte (Leguminosen) übertragen lassen wird. Denn auch in Deutschland gehört seit einigen Jahren Soja zum Kreis der stickstoffsammelnden Pflanzen, obwohl die wärmeliebende Bohne in unseren Breiten nur selten anzutreffen ist. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft verfolgt im Kontext seiner „Eiweißpflanzenstrategie“ das Ziel, den Anbau und die Nutzung von Eiweißpflanzen im Allgemeinen und von Leguminosen im Speziellen zu steigern.

Die Erhöhung des Ölgehalts in den Samen ist ein zentrales Thema, um die Attraktivität des Anbaus von Leguminosen zu steigern. Denn zu den Besonderheiten dieser Pflanzenfamilie gehört zudem, dass sie in Symbiose mit Bodenbakterien (Rhizobien) leben, auch Knöllchenbakterien genannt, die in der Lage sind den sauerstoffgebundenen Stickstoff zu binden und für Pflanzen verfügbar zu machen. Eine äußerst praktische Form der Gründüngung, die nicht nur den Leguminosen zugutekommt, sondern auch den nachfolgenden Kulturen in der Fruchtfolge. So profitieren diese neben dem größeren Angebot an pflanzenverfügbarem Stickstoff auch von der verbesserten Bodenqualität.