Chromosomen neu sortiert

Moderne Gentechnik beschränkt sich längst nicht mehr auf einzelne Gene. Mit präzisen Werkzeugen wie CRISPR/Cas lassen sich heute auch große strukturelle Veränderungen im Genom vornehmen. Dieser Ansatz wird als Karyotyp-Engineering bezeichnet: die gezielte Veränderung der Anzahl, Größe oder Anordnung von Chromosomen.

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Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat nun gezeigt, dass sich der Karyotyp von Pflanzen bewusst umgestalten lässt. An der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer zentralen Modellpflanze der Genetik, reduzierten die Forschenden die Chromosomenzahl von zehn auf acht – ein Eingriff, der bislang als hochriskant galt.

Chromosomenfusion ohne Wachstumsnachteile

Technisch gelang dies durch gezielte Chromosomenfusionen mithilfe der Genschere CRISPR/Cas. Die Forschenden programmierten das CRISPR/Cas-System so, dass es an genau definierten Stellen im Genom Doppelstrangbrüche auslöst: zum einen im Bereich nahe des Zentromers eines Chromosoms, also der Region, an der während der Zellteilung die Spindelfasern ansetzen, und zum anderen nahe an den Telomeren, den natürlichen Enden anderer Chromosomen.

Diese gezielten Schnitte führten dazu, dass ganze Chromosomenarme – also die DNA-Abschnitte zwischen Zentromer und Chromosomenende – von einem Chromosom abgetrennt und an das Ende eines anderen Chromosoms angefügt wurden. In zwei aufeinanderfolgenden Schritten übertrugen die Forschenden zunächst einen Chromosomenarm und anschließend den zweiten Arm desselben Chromosoms auf ein oder zwei andere Chromosomen. Auf diese Weise entstanden neue, verlängerte Chromosomen, während das ursprüngliche Chromosom vollständig in ihnen aufging.

Da Pflanzenzellen stets zwei identische Kopien jedes Chromosoms enthalten, führte dieser Umbau letztlich dazu, dass aus ursprünglich fünf Chromosomenpaaren nur noch vier Paare wurden. Entscheidend dabei: Die gesamte genetische Information blieb erhalten. Es gingen keine essenziellen Gene verloren, sondern sie wurden lediglich auf weniger, dafür größere Chromosomen neu verteilt.

Trivalente in der Meiose erklären verringerte Fruchtbarkeit

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Interessant wurde es bei Kreuzungen mit normalen, zehnchromosomigen Pflanzen. Zwar waren die achtchromosomigen Linien untereinander voll fruchtbar, doch ihre Nachkommen aus Kreuzungen mit Wildtyp-Pflanzen bildeten deutlich weniger Samen.

Der Grund liegt in der Meiose, also der Bildung von Keimzellen. Dort müssen sich homologe Chromosomen paaren. Trifft ein fusioniertes Chromosom auf zwei unveränderte Gegenstücke, entsteht ein sogenanntes Trivalent – eine Paarungsstruktur aus drei Chromosomen. Solche Trivalente sind instabil und erschweren die korrekte Verteilung der Chromosomen. Die Folge sind fehlerhafte Keimzellen und eine reduzierte Fruchtbarkeit.

Dieses Phänomen ist aus der Evolutionsbiologie gut bekannt und spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung reproduktiver Isolation zwischen Arten.

Neue Linkage-Gruppen durch Chromosomenumbau

Neben der Fruchtbarkeit veränderten die Chromosomenfusionen auch die genetische Durchmischung. Normalerweise bilden Gene auf einem Chromosom sogenannte Linkage-Gruppen, die gemeinsam vererbt werden. Durch die Fusion ganzer Chromosomenarme wurden diese Linkage-Gruppen neu definiert.

Die Forschenden beobachteten, dass sich die Orte der genetischen Rekombination entlang der fusionierten Chromosomen deutlich verschoben. Für die Pflanzenzüchtung ist das hochrelevant: Wenn sich Linkage-Gruppen gezielt verändern lassen, könnten günstige Genkombinationen stabil zusammengehalten oder unerwünschte Kopplungen aufgelöst werden.

Neue Perspektiven für Züchtung und Evolutionsforschung

Die Studie zeigt eindrucksvoll, dass gezieltes Karyotyp-Engineering in Pflanzen möglich ist – und weitreichende Konsequenzen hat. Chromosomenfusionen könnten künftig genutzt werden, um Kulturpflanzen genetisch von wilden Verwandten zu isolieren und unkontrollierte Auskreuzungen zu verhindern. Gleichzeitig erlaubt der Ansatz, evolutionäre Prozesse wie Chromosomenumbauten experimentell nachzustellen.

Damit erweitert CRISPR/Cas das Instrumentarium der Pflanzenforschung erheblich: Nicht nur Gene, sondern ganze Chromosomensätze lassen sich nun gezielt gestalten.

Quelle:
Rönspies, M. et al. (2025): CRISPR/Cas-mediated heritable chromosome fusions in Arabidopsis. In: Science (20. November 2025). doi: 10.1126/science.adz8505

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

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Titelbild: Mit gezielten Eingriffen lässt sich nicht nur das Erbgut einzelner Gene, sondern auch die Chromosomenzahl verändern – ein neuer Ansatz, um Genkombinationen gezielt zu steuern und die Pflanzenzüchtung effizienter zu machen. (Bildquelle: © Michelle Rönspies / KIT)