Variabilität ist genetisch kontrolliert

Warum sind einige Tier- und Pflanzenpopulationen in ihrem Erscheinungsbild heterogener als andere? Nicht allein Umweltfaktoren, sondern Gene beeinflussen den Grad der Plastizität, so entdeckten Forscher. Die genomweiten Varianzanalysen könnten helfen, unerwünschte Varianz bei der Pflanzenzucht zu unterdrücken.

Pflanzen sind extrem wandlungsfähig. An verschiedenen Standorten unterscheiden sich Individuen der gleichen Art oft durch  Wuchshöhe, Blattform und überlebenswichtigen Eigenschaften, wie beispielsweise dem Zeitpunkt der Blüte. Wie genau Umwelt und Gene zusammenwirken, um diese phänotypische Plastizität hervorzurufen, ist seit langem eine zentrale Frage der Tier- und Pflanzenzucht.

Mittels Assoziationsgenetik konnten Forscher bereits viele züchtungsrelevante Genorte identifizieren, die das durchschnittliche Erscheinungsbild einer Population verändern. Ungeklärt blieb bisher jedoch die Frage, warum einige Pflanzenpopulationen sehr viel mehr Varianten eines Merkmales hervorbringen als andere. „Bisher glaubte man, dass die Variabilitätsunterschiede zwischen Populationen eine Folge unterschiedlicher Umweltfaktoren sind“, sagt Örjan Carlborg, der am Institut für Züchtungsgenetik der Universität Schweden forscht. „Seit einigen Jahren vermuten Forscher jedoch, dass die Streuung der Varianz innerhalb einer Populationen auch genetisch kontrolliert sein könnte.“

Diese Theorie haben er und sein Team nun erstmals mit experimentellen Daten aus einem Pflanzengenom untermauert. Obwohl Örjan Carlborg eigentlich Tierzüchter ist, wählte er als Model für seine Genom-Studie ein Pflanzenmodell: Die Ackerschmalwand. „Arabidopsis-Pflanzen kommen in allen Klimabereichen vor und besitzen eine besonders hohe genetische und phänotypische Vielfalt“, begründet Carlborg das experimentelle Design der Studie.

Die Wissenschaftler analysierten die Genotypen von insgesamt 199 verschiedenen Arabidopsis-Ökotypen. Ihre Analysemethode, die die Forscher variance heterogeneity genome wide association study (vGWAS) tauften, baut dabei auf Methoden der Assoziationsgenetik auf. Neu bei diesem Ansatz ist jedoch, dass die genomweite Analyse auch die Streuung unterschiedlicher Phänotypen innerhalb einer Population erfasst.

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Arabidopsis besitzt Varianz-kontrollierende Gene

Die phänotypische Variabilität einer Population, so entdeckten die Wissenschaftler, ist demnach klar an bestimmte Genorte gekoppelt. Gene, die beispielsweise den Eisengehalt, die Blattform und die Blühperiode in Arabidopsis steuern, kontrollieren zu einem großen Teil auch, wie viele unterschiedliche Ausprägungsformen dieser Eigenschaften eine Population hervorbringen kann.  So haben einige Ökotypen in Arabidopsis das FRI-Gen, das die Länger der Blühperiode steuert, im Laufe der Evolution verloren und somit anscheinend auch die Varibilität in der Blühphase. Die Individuen dieser Population blühen fast alle zum gleichen Zeitpunkt.

Sowohl aus evolutionsbiologischer, als auch aus züchterischer Sicht kann dies unter stabilen Umweltbedingungen ein Vorteil sein. „Nehmen wir an, der Züchter hat bereits eine optimale Länge der Blütezeit von 100 Tagen für eine Pflanzensorte ermittelt“, erklärt Carlborg. „Dann möchte man nicht, dass 25% dieser Pflanzen 90 oder 120 Tage lang blühen. Plastizität ist unter stabilen Umweltbedingungen für die Pflanzenzucht unerwünscht, denn möglichst alle Pflanzen sollen gleichzeitig blühen. In diesem Fall fällt die Wahl des Züchters also auf Genotypen, mit einer geringen Varianz für diese Eigenschaft.“

Die Tatsache, dass bestimmte Genorte die phänotypische Plastizität unterdrücken, könnte vGWAS-Analysen demnach zu einem wichtigen, züchterischen Werkzeug machen, um erwünschte Eigenschaften stabil im Genom neuer Sorten zu verankern.