Gen mit großer Wirkung

Beim Vergleich von zwei nahe verwandten Arten des Hirtentäschelkrauts, konnten Forscher ein Gen identifizieren, das für die unterschiedlichen Blattränder verantwortlich ist. Die Aktivität des Gens wird durch die Umgebungstemperatur beeinflusst.

Bei Blättern herrscht eine große Vielfalt. Es gibt sie in unterschiedlichen Größen und Formen. Ein botanisch wichtiges Unterscheidungskriterium ist der Blattrand. Er kann glatt sein wie bei Buchenblättern oder gelappt, wie etwa bei Eichen- oder Ahornblättern. Wie das Blatt später einmal aussehen wird, ist im Erbgut der Pflanzen festgelegt. Forscher der Universität Potsdam haben zusammen mit Kollegen bei Untersuchungen an den nah verwandten Arten des Hirtentäschelkrauts Capsella rubella und Capsella grandiflora ein Gen identifiziert, welches die Form des Blattrandes bestimmt.

Der Evolution auf der Spur

Die Forscher untersuchten die beiden Arten des Krauts, da diese sich aufgrund ihrer Blattmorphologie optisch sehr deutlich voneinander unterscheiden: Während C. grandiflora einen glatten Rand aufweisen, haben C. rubella einen gelappten Blattrand. Durch viele Kreuzungsversuche und vergleichende Genomanalysen konnten die Wissenschaftler die Stelle im Erbgut so weit eingrenzen, dass sie letztlich das Gen fanden, dass für die Blattform ausschlaggebend ist.

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Das Gen REDUCED COMPLEXITY-A (RCO-A) ist in jungen Blättern der gelappten Art aktiver als in denen der glattrandigen Art. Die erhöhte Aktivität hemmt das Wachstum gewisser Blattbereiche und sorgt so für die charakteristisch gelappte Form.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese erhöhte Aktivität auf natürliche Mutationen zurückzuführen ist. Ausgehend von einem gemeinsamen Vorfahren entwickelten sich die beiden untersuchten Arten vor etwa 50.000-100.000 Jahren auseinander. Im evolutionären Maßstäben gesehen also vor nicht allzu langer Zeit.

Die Temperatur ist auschlaggebend

Bei ihren Untersuchungen stellten die Forscher darüber hinaus fest, dass die Temperatur für die Aktivität des Gens einen großen Effekt hat. Bei niedrigeren Temperaturen war dieses aktiver als bei höheren. Dies erklärt auch das Phänomen, dass bei kälteren Umgebungstemperaturen Pflanzen stärker gelappte Blätter ausbilden. Die Veränderungen könnten eine Anpassung an neue Lebensräume sein, als die Pflanzen sich geografisch voneinander trennten und genetisch differenzierten.

Gen auch in Arabidopsis entdeckt

Das Gen ist eines von drei Genen eines Genclusters in der Familie der Kreuzblütengewächse (Brassicaceae). Der Familie gehört neben den untersuchten Hirtentäschelkrautarten auch die Modellpflanze Arabidopsis thaliana an. Ein anderes Forscherteam publizierte Anfang des Jahres eine Studie, in der sie zeigten, dass Arabidopsis zwei dieser Gene verloren hat und daher ungeteilte und ganzrandige Blätter ausbildet. Beide Arbeiten identifizierten das RCO-Gen, als den entscheidenden molekularen Schalter, der die Blattform bestimmt.

Grundlage für Pflanzenzüchtung schaffen

Die vorliegenden Arbeiten sind ein wichtiger Schritt, um die Herausbildung der Blattarchitektur besser zu verstehen. Diese Erkenntnis kann man auch praktisch nutzen, um Pflanzen gezielt zu verändern. Kennt man die molekularen Schalter, kann man die Pflanzenarchitektur beeinflussen und sie so beispielsweise an veränderte Umweltbedingungen, eine höhere Biomasseproduktion durch eine bessere Ausnutzung des Sonnenlichts usw. anpassen. 

Bis dahin sind jedoch noch einige wichtige Fragen zu klären. „Darüber, welche Auswirkungen der Unterschied zwischen glatten und gelappten Rändern auf die Funktion des Blattes hat, tappt die Wissenschaft nach wie vor weitgehend im Dunkeln“, sagt Adrien Sicard, Erstautor der Studie. Dies kann auf Grundlage der Erkenntnisse in Experimenten nun getestet werden.