Parasitische Pflanze übernimmt Wirtsgen

Erstmalig ist es Forschern gelungen, einen horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Pflanzenarten nachzuweisen.

Beim horizontalen Gentransfer (HGT) werden Gene außerhalb der geschlechtlichen Fortpflanzung zwischen verschiedenen Arten übertragen und so das Erbgut eines Organismus verändert. Damit spielt horizontaler Gentransfer für die evolutionäre Entwicklung von Arten eine entscheidende Rolle. Bei Pflanzen wurde HGT bislang nur zwischen Pflanzen und Mikroben, bei sogenannten „springenden Gene“ (Transposons) und als Austausch von Genen zwischen Zellorganellen wie bei Chloroplasten oder Mitochondrien nachgewiesen. Chloroplasten und Mitochondrien sind im Laufe der Evolution durch Symbiosen mit Mikroorganismen in Pflanzenzellen integriert worden. Ein Austausch zwischen Organell- und Kerngenom findet mit statistischer Wahrscheinlichkeit jedoch sehr selten statt.

Auch bei sogenannten Pfropfungsexperimenten wurde ein Genaustausch an den Kontaktstellen zwischen der Unterlage und dem aufgepfropften Pflanzenspross (Edelreis) nachgewiesen. Erstmals ist es nun Forschern gelungen, horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Pflanzenarten nachzuweisen. 

Im Erbgut des parasitischen Hexenkrauts Striga hermontica fanden die Wissenschaftler ein Gen, das mit hoher Wahrscheinlichkeit aus dem Zellkern einer Wirtspflanze stammt. Während in nah verwandten Pflanzen dieses Halbparasiten ein entsprechender DNA-Abschnitt fehlt, konnte dieser in Mohrenhirse (Sorghum bicolor) und auch im Reis nachgewiesen werden. Beides sind Wirtspflanzen von Striga.

Striga ist eine semiparasitische Pflanze aus der Familie der Sommerwurzgewächse (Orobanchaceae). Sie befällt ausschließlich einkeimblättrige Pflanzen, vor allem Gräser, darunter wirtschaftlich bedeutsame Getreide wie Reis, Hirse und Mais. In geringem Umfang betreibt Striga zwar noch selbst Photosynthese, den größten Anteil wichtiger Nährstoffe und Wasser zapft sie jedoch ihren Wirtspflanzen über ein Haustorium, ein Wurzelsaugorgan ab. Sie saugt die Wirtspflanzen auf diese Weise geradezu aus. Besonders in Gebieten mit kargen Böden und Monokulturen ist Striga daher gefürchtet, da sie die ohnehin spärlichen Erträge wichtiger Nahrungsmittelpflanzen schädigt oder komplett vernichtet. Die Pflanze ist vor allem in den Tropen und Subtropen Afrikas und Asiens weit verbreitet.

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Kürzlich hatten die japanischen Wissenschaftler sämtliche Abschnitte des Erbguts von Striga hermontica sequenziert. In einem zweiten Schritt haben sie das Strigagenom mit dem anderer Pflanzen verglichen. Durch diesen Abgleich wollten sie nach eventuellen genetischen Folgen des innigen Kontakts zwischen dem Parasit und seinen Wirten fahnden. Dabei kam ihnen der Fakt zu gute, dass Striga zur Gruppe der “echten” zweikeimblättrigen Pflanzen (Eudikotyledonen) gehört, ihre Wirte hingegen zur Gruppe der einkeimblättrigen Pflanzen (Monokotyledonen).

Und tatsächlich entdeckten die Wissenschaftler beim Hexenkraut ein Gen, das von einer einkeimblättrigen Pflanze stammen dürfte. Dieses Gen weist große Ähnlichkeit mit den Genen von Mohrenhirse und Reis auf. Das Gen unterscheidet sich jedoch deutlich vom Erbgut naher Verwandter von Striga, den zweikeimblättrigen Pflanzen. Die Analyse der Genomsequenz konnte zeigen, dass die Länge der übereinstimmenden Basen zwischen dem Striga-Gen und Sorghum größer war als zwischen dem Striga-Gen und Reis. Daher liegt nahe, dass das Hexenkraut sein ungewöhnliches Gen von der Mohrenhirse oder ihr verwandter Grasarten übernommen hat.

Welche Funktion das Gen hat, ist derzeit noch unbekannt. Und auch über den Zeitpunkt und den Mechanismus des Transfers wird weiter spekuliert. Die Wissenschaftler vermuten, dass der Gentransfer stattfand, nachdem sich die Pflanzengattung Striga von der Familie der Sommerwurzgewächse differenzierte, jedoch noch bevor es zu einer Spezialisierung der Gattung in die Unterarten Striga hermontica und Striga gesnerioides kam. 

Eventuell wurde das Gen nicht direkt als DNA aus dem Zellkern der Wirtszellen übernommen, sondern gelangte in Form einer mRNA-Blaupause über das Haustorium ins Erbgut des Hexenkrauts. Ein Indiz für diese Annahme: Die Wissenschaftler fanden am Gen einen sogenannten Poly(A)-Schwanz, d.h. angehangene Adenin-Nucleotide, die gewöhnlich vom Enzym Poly(A)-Polymerase an eine Boten-RNA (messenger RNA) angehangen werden – wie ein Empfängerschild an einen Koffer, um diese zur „Weiterverarbeitung“ an die richtige Adresse, z.B. zu den Ribosomen, zu schicken. 

Das Beispiel des Hexenkrauts zeigt, dass die Vielfalt natürlicher Variationen und Entwicklungen schier unendlich zu sein scheint und auch vor einem artübergreifenden Gentransfer zwischen zwei höheren Pflanzenarten nicht haltmacht. Die Wissenschaft wird diese Vielfalt erst nach und nach entdecken, ergründen und nutzen können.