Genetische Vielfalt

Polyploidie beeinflusst die Genregulation von Kulturweizen

05.12.2011 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Viele Getreide- und Blütenpflanzen besitzen ein Vielfaches ihres Chromosomensatzes. (Quelle: © Rainer Sturm / pixelio.de)
Viele Getreide- und Blütenpflanzen besitzen ein Vielfaches ihres Chromosomensatzes. (Quelle: © Rainer Sturm / pixelio.de)

Das Q-Gen ist das bekannteste Domestikationsgen des Weizens. Es steuert viele Eigenschaften, die die weltweite Kultivierung des Weizens erst ermöglichten. Doch nur in polyploiden Weizenarten werden auch alle positiven Eigenschaften ausgeprägt. Wissenschaftler haben herausgefunden warum.

Bereits um 7000 vor Chr., so belegen Funde aus alten Gräbern, versuchte der Mensch den Weizen zu zähmen. Der ursprüngliche Wildweizen, Triticum boeoticum trug nur eine einzeilige Kornreihe und sein Korn war von harten Spelzen umgeben, die durch einen zusätzlichen Arbeitsschritt entfernt werden mussten. Wegen seiner brüchigen Ährchengabel, ließen sich die ursprünglichen Weizenarten zudem noch nicht dreschen. Die reife Wildweizenähre zerfiel stattdessen in die einzelnen Körner. Durch Selektion und Züchtung entstand aus Triticum boeoticum schließlich der ertragreiche Weichweizen, Triticum aestivum, die weltweit am häufigsten angebaute Weizenart, die heutzutage als Brotweizen verwendet wird.

Viele Kulturpflanzen haben ihr Genom vervielfacht

Seine Anpassungsfähigkeit und ertragreichen Eigenschaften verdankt der Weichweizen einigen genetischen Besonderheiten. Durch Kreuzung mit dem Hartweizen Triticum turgidum und dem Ziegengras Aegilops tauschii, verschmolzen die Chromosomensätze zweier Weizenarten und es entstand der hexaploide Weichweizen. Mit 42 Chromosomen (2n=6x=42, AABBDD) besitzt er statt jeweils nur zwei Kopien jedes Chromosoms, wie es in den meisten Organismen der Fall ist, einen sechsfachen Chromosomensatz. Diese Vervielfältigung des Genoms, wissenschaftlich Polyploidie genannt, ist in Blütenpflanzen und vielen Kulturpflanzen häufig anzutreffen, wie beispielsweise bei ertragreichen Mais- oder Kartoffelsorten. Durch Polyploidie, so die Meinung von Wissenschaftlern, können Pflanzen ihre genetische Vielfalt erhöhen und sich dadurch möglichweise schneller an neue Umweltbedingungen und Lebensräume anpassen.
Denn die zusätzlich gewonnenen Genkopien, die auch als Allele bezeichnet werden, können sich im Laufe der Evolution durch Mutationen auf neue Aufgaben spezialisieren und der Pflanze auf diese Weise neue Eigenschaften verleihen. Eine wichtige Rolle bei der Entstehung neuer Eigenschaften spielen aber nicht nur Veränderungen im Erbgut selbst, sondern auch das regulatorische Netzwerk, mit dem die Pflanze die Aktivität ihrer vervielfachten Genome koordiniert.

Das Q-Gen macht den Weizen weich

Dass durch zusätzliche Kopien der gleichen Gene in polyploiden Pflanzen ganz neue genregulatorische Netzwerke entstanden, die dem Weichweizen zu seinen vorteilhaften Eigenschaften verhalfen, haben jetzt Wissenschaftler festgestellt. Sie untersuchten die Evolution des sogenannten Q-Gens, das als wichtigstes Domestikationsgen des Weizens gilt.
Das Q-Gen verschlüsselt die genetische Information für einen Genregulator, der wiederum Gene aktiviert, die wichtige Eigenschaften des Weizens steuern. Dazu gehören beispielsweise die Länge der Ähre, die Härte der Spelzen und Eigenschaften, die entscheiden ob sich der Weizen zum maschinellen Dreschen eignet. Moderne Weizenarten besitzen in dem Q-Gen eine Mutation. Diese Mutation und die damit verbundene Veränderung des Genregulators verleiht dem Weichweizen seine weichen Spelzen, die hülsenlosen Körner und die feste Ährchengabel, die ihn für das maschinelle Dreschen so geeignet machen. Die mit der Mutation verbundenen Eigenschaften werden sogar als typischer Q-Phänotyp bezeichnet.

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Nicht nur eine Mutation im Q-Gen, auch die Vervielfachung seines Genoms verhalf dem modernen Weizen zu seiner leichten Dreschbarkeit.

Nicht nur eine Mutation im Q-Gen, auch die Vervielfachung seines Genoms verhalf dem modernen Weizen zu seiner leichten Dreschbarkeit.

Quelle: Bettina Stolze / pixelio.de

Q-Genkopien steuern die Genaktivität der drei Weizengenome

Wie die Wissenschaftler jetzt herausfanden, ist das mutierte Q-Gen jedoch nicht der einzige genetische Auslöser für die vorteilhaften Weichweizenattribute. Anscheinend sind alle Q-Genkopien, die Triticum aestivum in seinem Genom trägt, an einem komplexen regulatorischen Netzwerk beteiligt, dass die positiven Eigenschaften des Weizens steuert. Obwohl nur die Q-Gene auf den A Chromosomen, die typische Weizenmutation tragen, scheinen auch die Genkopien auf den Genomen B und D für die leichte Dreschbarkeit des Weichweizens entscheidend zu sein.
Auf dieses Ergebnis stießen die Pflanzenforscher als sie die Q-Gene des Chromosomensatzes A, B, oder D nacheinander aus dem Weizengenom löschten. Sowohl an den Genorten A, B, als auch D führte das Fehlen der Q-Gene zu Ähren, in denen die Körner von dickeren und härten Spelzen umschlossen waren, die eine leichte Dreschbarkeit verhinderten. Darüber hinaus zeigten die Wissenschaftler mit Hilfe der Methode der quantitativen Real Time-PCR, dass die Q-Gene des einen Chromosomensatzes die Genaktivität der beiden anderen hoch oder herunter regulierten.

Genaktivität ohne Funktion?

Erstaunlicherweise galt dies auch für das Q-Gen des Chromosomensatzes B, obwohl das 5BQ-Gen durch einen fehlenden Genabschnitt keinen funktionstüchtigen Genregulator mehr produzieren kann. Dennoch beeinflusste das Fehlen von 5BQ/q ebenfalls die Aktivität der A und D Gene (5AQ/q und 5DQ/q). Vergleiche mit diploiden Weizenarten zeigten allerdings, dass das 5BQ-Gen nur in den modernen tetra- und hexaploiden Weizenarten seine Funktion verloren hat. Für die Wissenschaftler ist das ein Zeichen dafür, dass das fehlerhafte Q-Gen durch menschliche Züchtung ausgewählt wurde und trotz seines Funktionsverlustes auf bisher unbekannte Weise zum typischen Weichweizenphänotyp beiträgt.

Vervielfachte Genkopien ermöglichen eine komplexere Genregulation

Aus ihrer Studie folgern die Forscher, dass die bekannte Mutation des 5AQ-Gens nicht die alleinige Ursache der typischen Weichweizeneigenschaften sein kann, wie es bislang angenommen wurde. Stattdessen vermuten sie, dass die ungewollten Eigenschaften des Wildweizens, wie die harten Spelzen und Spindelbruch, im Weichweizen durch ein komplexes regulatorisches Netzwerk vervielfachter Q-Genkopien unterdrückt werden. Dies würde auch erklären, warum die leichte Dreschbarkeit nur in polyploiden Weizenarten anzutreffen ist, obwohl die 5AQ-Mutation auch in diploiden Weizenpflanzen vorkommt.

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