Neukombination von Genen
Nährstoffmangel bremst die Durchmischung
Das Versuchsfeld des „Ewigen Roggenanbaus“ in Halle – hier wächst seit 1878 Roggen unter wechselnden Düngungsbedingungen. (Bildquelle: © IPK Leibniz-Institut/ S. Dreissig)
Wenn Pflanzen unter Stress geraten, etwa durch Nährstoffmangel, geraten auch ihre Gene in Bewegung – oder eben nicht. Forschende des IPK Gatersleben und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg haben jetzt gezeigt, wie empfindlich die genetische „Durchmischung“ bei der Fortpflanzung des Roggens auf Umweltbedingungen reagiert. Ihre Ergebnisse liefern neue Einblicke in die molekularen Grundlagen der Meiose und zeigen, wie Umweltstress genetische Vielfalt beeinflusst.
Damit Pflanzen Nachkommen mit neuen Eigenschaften bilden können, müssen sie bei der Meiose ihre Gene neu kombinieren – ein Prozess, der für die genetische Vielfalt in der Natur entscheidend ist. Das Forschungsteam um Dr. Steven Dreissig und Christina Wäsch hat diesen Vorgang direkt im männlichen Blütenstaub untersucht: Über 3.000 einzelne Pollenzellen von 584 Roggenpflanzen wurden genetisch analysiert – einige stammten von Pflanzen, die auf nährstoffreichen Böden wuchsen, andere von solchen, die über viele Jahre hinweg mit Nährstoffmangel auskommen mussten.
Wenn der Genmix ins Stocken gerät
Schematische Darstellung der genetischen Neukombination während der Meiose: Homologe Chromosomen tauschen DNA-Abschnitte aus (Crossing-over) und erzeugen dadurch neue Genkombinationen. Vereinfacht dargestellt ist hier der Austausch eines einzelnen DNA-Abschnitts.
Bildquelle: © Pflanzenforschung.de, erstellt mit DALL·E / OpenAI
Anhand der Pollendaten bestimmten die Forschenden, wie häufig sogenannte Crossovers auftraten – also Austauschereignisse zwischen elterlichen Chromosomen. Damit konnten sie erstmals direkt am Ort des Geschehens messen, wie aktiv Pflanzen ihre Gene „mischen“. Das Ergebnis fiel eindeutig aus:
„Wir konnten zeigen, dass sich die Gene der Pflanzen bei Nährstoffmangel deutlich weniger neu mischen als bei ausreichender Nährstoffversorgung“, erklärt Erstautorin Christina Wäsch.
In Zahlen bedeutet das: Unter Nährstoffmangel sank die Zahl der Crossovers im Schnitt um rund acht Prozent, bei alten Sorten und Wildformen sogar um etwa zwölf Prozent. „Das kann man sich so vorstellen wie beim Kartenspielen: Wenn die Karten nur halbherzig gemischt werden, entstehen weniger neue Kombinationen.“ Moderne Zuchtsorten reagierten dagegen stabiler. „Das zeigt, dass die genetische Vielfalt eine große Rolle dabei spielt, wie Pflanzen mit Umweltveränderungen umgehen“, so Wäsch.
Viele kleine Schalter statt eines Hauptreglers
Ablauf der Genanalyse einzelner Pollenzellkerne beim Roggen. (a) Eine vielfältige Roggenpopulation (Secale cereale) wurde unter normalen und nährstoffarmen Bedingungen angebaut. (b) Aus den Blütenstaubbeuteln wurden reife Pollenkerne gewonnen und einzeln in winzige Vertiefungen einer 96-Well-Platte sortiert. (c) Parallel wurde aus denselben Pflanzen DNA isoliert. (d) Beide DNA-Proben – aus Pollen und Pflanzen – wurden auf genetische Unterschiede untersucht. (e) Die Daten aus 3–6 Pollenkernen pro Pflanze dienten dazu, genetische Varianten zuzuordnen und Orte von Crossing-over-Ereignissen auf den Chromosomen zu bestimmen. Die graue Linie markiert das Zentromer.
Bildquelle: © Dreissig (2025); erstellt mit BioRender
Neben dem Einfluss der Umweltbedingungen beleuchtete das Team auch die genetische Steuerung der Rekombination. Dabei zeigte sich, dass der Prozess nicht durch ein einzelnes „Hauptgen“ kontrolliert wird, sondern durch das Zusammenspiel vieler kleiner Faktoren.
„Wir konnten in unserer Studie zeigen, dass die Rekombinationsrate nicht von einem Hauptschalter gesteuert wird, sondern von zahlreichen kleinen genetischen Regionen gleichzeitig“, erläutert Dr. Steven Dreissig vom IPK.
Das Forschungsteam identifizierte über 40 genetische Bereiche und zwei Kandidatengene, die an der Steuerung beteiligt sind. Dazu gehören bekannte Rekombinationsgene wie MUS81 und SHOC1, die an unterschiedlichen molekularen Wegen der Meiose mitwirken. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass viele dieser Regionen nur unter bestimmten Umweltbedingungen aktiv werden – also abhängig vom Zusammenspiel zwischen Genotyp und Umwelt.
Spannend ist auch der Blick auf die räumliche Verteilung der Rekombination entlang der Chromosomen: Die typischen „heißen“ und „kalten“ Zonen blieben unter Stress nahezu unverändert – nur das Gesamtniveau der Rekombination sank. Ein Vergleich zwischen Pollen und ganzen Pflanzen deutet zudem darauf hin, dass manche Rekombinationsereignisse nach der Befruchtung seltener überdauern könnten – möglicherweise, weil bestimmte Varianten weniger überlebensfähig sind.
Bedeutung für die Pflanzenzüchtung
Mit ihrer Studie liefert das Forschungsteam nicht nur neue Einblicke in grundlegende biologische Prozesse, sondern auch wertvolle Impulse für die Pflanzenzüchtung. „Die gezielte Steuerung der Rekombination unter Stress hilft sicher bei der schnelleren Entwicklung neuer, verbesserter Nutzpflanzen, die widerstandsfähiger gegen widrige Umweltbedingungen sind“, so Dreissig.
Quelle: Wäsch, C. et al. (2025): Population-wide single-pollen nuclei genotyping in rye sheds light on the genetic basis and environmental plasticity of meiotic recombination. New Phytologist, doi: 10.1111/nph.70656
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Titelbild: Das Versuchsfeld des „Ewigen Roggenanbaus“ in Halle – hier wächst seit 1878 Roggen unter wechselnden Düngungsbedingungen. (Bildquelle: © IPK Leibniz-Institut/ S. Dreissig)
