Parasitäre Blütenpflanze stiehlt Gene vom Wirt

13.06.2012 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzen der Gattung Rafflesia sind Vollschmarotzer. (Quelle: © Wilhelm Albert Mertin / wikimedia.org; CC BY 2.0 de)
Pflanzen der Gattung Rafflesia sind Vollschmarotzer. (Quelle: © Wilhelm Albert Mertin / wikimedia.org; CC BY 2.0 de)

Die Blütenpflanze Rafflesia cantleyi lebt vollständig auf Kosten ihres Wirtes. Dabei bedient sie sich nicht nur bei Wasser und Nährstoffen: auch Gene hat die parasitäre Pflanze im Laufe der Evolution übernommen. Eine neue Studie lieferte den Beweis eines horizontalen Gentransfers vom Wirt zum Parasiten. Die „gestohlenen“ Gene übernehmen zentrale Zellfunktionen und ermöglichen dem Parasiten eine bessere Anpassung an den Wirt.

Der Vollschmarotzer Rafflesia cantleyi Solms-Laubach ist eine parasitische Blütenpflanze, die in Malaysia heimisch und vollständig auf ihren Wirt angewiesen ist. Die Art Rafflesia cantleyi gehört zur Gattung der Rafflesien (Rafflesia), welche die größten Blüten der Welt (der Durchmesser der Blüten beträgt zwischen 13 cm und knapp einem Meter) jedoch weder Blätter noch Stängel ausbilden. Als Wirt dient ihr Tetrastigma rafflesiae, welche zur Familie der Weinrebengewächse (Vitaceae) gehört.

Da Rafflesien stark wirtsspezifisch sind und auch ausschließlich von diesen leben, ist ein Austausch von Genen aufgrund der engen Beziehung vorstellbar. Dies machte die Wirt-Parasit-Beziehung zu einem guten Studienobjekt. Zudem liegen Referenzgenome von nahen Verwandten der Parasiten sowie der Wirtspflanze bereits vor und erlauben einen Vergleich. Daher untersuchte ein Forscherteam die Möglichkeit eines horizontalen Gentransfers, also einer Übertragung von Genen über Artgrenzen hinweg, in diesem Fall zwischen Parasit und Wirt. Sie analysierten dabei die Transkriptome, d.h. die Gesamtheit der transkribierten Gene, von Rafflesia cantleyi und deren Wirtspflanze Tetrastigma rafflesiae. Die vollständigen Genomsequenzen wurden betrachtet und mit neun Referenzgenomen verglichen (darunter auch Arabidopsis thaliana).

Das Ergebnis: Mehrere Dutzend Gene stammen ursprünglich vom Wirt

Die Wissenschaftler fanden 49 transkribierte Gene, die in RNA umgeschrieben werden, welche ursprünglich vom Wirt stammten. Dies entspricht 2% des gesamten Transkriptoms. Von diesen knapp 50 Genen ersetzen drei Viertel sogar die eigenen Gene des Parasiten. Diese Ergebnisse beweisen also, dass hierbei Gene von einer Art zur nächsten übertragen wurden (horizontaler Gentransfer); Vertikaler Gentransfer hingegen meint die Weitergabe von Genen der Eltern an die Nachkommen. Die Forscher fanden auch Hunderte von vertikal von einer Parasitengeneration zur nächsten vererbte Gene, die bezogen auf die Nutzung bestimmter Codons bei der Translation (Codongebrauch), mehr Ähnlichkeit mit der Wirtspflanze aufwiesen, als mit den nächsten Verwandten des Parasiten. Das bedeutet, dass die Übersetzung der genetischen Information aus der Boten-RNA (mRNA) in ein funktionales Protein (der Proteinbiosynthese) mehr der Wirtspflanze ähnelt. 

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Rafflesia cantleyi haben sich im Laufe der Evolution Gene ihres Wirts zu Eigen gemacht. Die Blütenpflanzen wachsen in Malaysia. (Quelle: © profdrkms / youtube.de)

Der Großteil der von Art zu Art vererbten Gene ist im Zellkern verortet (47 Gene). Die beiden anderen Gene wurden in die Mitochondrien des Parasiten integriert. Die vom Wirt übernommenen Gene sind für eine Vielzahl von Zellfunktionen verantwortlich, darunter so entscheidende Prozesse wie Atmung und diverse Stoffwechselprozesse. Die Expression dieser Gene spielt eine zentrale Rolle für das Überleben des Parasiten.

Ein evolutionärer Prozess der Anpassung

Die Wissenschaftler vermuten, dass der Genaustausch dem Parasiten einen Leistungsvorteil bringt: Beispielsweise könnte er durch die genetische Anpassung die Nährstoffaufnahme verbessern oder die Abwehrkräfte des Wirts täuschen und diesen dadurch noch besser ausbeuten.

Die Studie gibt demnach Aufschlüsse zur Koevolution von Wirt und Parasit. Bisher sprach man dem horizontalen Gentransfer keine große Rolle in der Evolution von Pflanzen zu. Diese Annahme kann zumindest in diesem Fall nicht mehr aufrecht erhalten werden. Die Forscher haben zum ersten Mal eine beträchtliche Anzahl von zwischen zwei Pflanzenarten ausgetauschten Genen entdeckt. Sie machen somit deutlich, wie stark das Phänomen des horizontalen Gentransfers das Genom des Parasiten verändert hat.

Andererseits weiß man durch Kulturpflanzen, wie zum Beispiel dem Weizen, dass in historischen Zeiträumen mehrere Genome unterschiedlicher Pflanzen miteinander kombiniert wurden und so zu neuen Pflanzenarten, in diesem Fall zu einer der weltweit wichtigsten Kulturpflanzen, geführt haben. Es ist diese Vielfalt evolutionärer Prozesse, die Wissenschaftler fasziniert und gleichzeitig dringend benötigte Ansätze bietet, die Pflanzenzüchtung effizienter und auch zukünftig erfolgreich zu gestalten.

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