Verdrehte Pollenschläuche führen bei Pflanzen mit mehreren Chromosomensätzen zu Unfruchtbarkeit

Die meisten Säugetiere und Menschen haben einen doppelten Chromosomensatz – und in der Regel auch Pflanzen: Der eine Satz stammt vom Vater, der andere von der Mutter. Solche Organismen werden Diploide genannt. Manchmal verdoppelt sich jedoch die Anzahl der Chromosomensätze von Generation zu Generation: Aus einem diploiden Organismus wird plötzlich ein tetraploider Organismus, das heißt, er hat vier Chromosomensätze.

Anders als beim Menschen, wo mehrere Genome normalerweise tödlich sind, kann Polyploidie Vorteile für die betroffenen Pflanzen haben. Pflanzen mit mehreren Genomen passen sich besser an die Umwelt an und sind salztolerant oder dürreresistent. Darüber hinaus produzieren sie oft größere Samen oder Früchte und führen zu höheren Erträgen – vielversprechende Eigenschaften für die Nutzpflanzen der Zukunft.

Aber eines ist nur so: Neu gebildete polyploide Individuen einer Pflanzenart sind in der Regel völlig oder fast völlig unfruchtbar und lassen sich nicht einfach vermehren. Der Grund, warum diese Pflanzen unfruchtbar sind, ist noch nicht vollständig geklärt.

Gene, die den Pollenschlauch steuern

Kirsten Bomblies, ETH-Professorin für Molekulare Pflanzenevolutionsgenetik, und ihr Team haben nun einen bisher unerkannten Mechanismus für eine verminderte Fruchtbarkeit bei Polyploiden entdeckt. In einer aktuellen Studie veröffentlicht In Wissenschaftzeigen die Forscher, dass der Pollenschlauch bei neu gebildeten polyploiden Pflanzen nicht richtig wächst.

Normalerweise keimt ein Pollenkörner, der während der Bestäubung an der Narbe einer Blüte haftet, zu einer langen Röhre, die gerade und unverzweigt durch den Eierstock zu den Samenanlagen wächst, wo die Befruchtung stattfindet.

Die ETH-Forscher haben beobachtet, dass bei neu gebildeten polyploiden Pflanzen der Pollenschlauch weder gerade wächst noch ausreichend lang ist. „In unseren Experimenten haben wir alle möglichen Formen beobachtet“, sagt Bomblies. „Diese Pollenschläuche könnten krumm, verzweigt, kurz oder sogar geplatzt sein – aber keiner von ihnen erreichte sein Ziel.“ Dies bedeutet, dass die männlichen Gameten, die sich an der Spitze des Pollenschlauchs befinden, nicht mit den Eizellen der Pflanze verschmelzen können.

Bomblies und ihre Kollegen untersuchten dieses Phänomen an der Sandkresse (Arabidopsis arenosa). In der Natur kommen zwei Arten dieser Wildblume vor: eine mit einem doppelten Chromosomensatz (wie wir) und eine mit einem vierfachen Chromosomensatz. Tetraploide Gänsekresse haben es geschafft, den Nachteil der Genomverdopplung zu überwinden und können sich in unabhängigen Populationen etablieren.

In früheren Studien solcher tetraploiden Sandkresse-Populationen identifizierten die Forscher Gene, die mit der Fruchtbarkeit der Pflanze zusammenhängen und für die sich in den Tetraploiden neue Varianten entwickelt hatten. In dieser Studie haben sie nun diese Gene herangezogen, um herauszufinden, welche Merkmale sie hervorbringen. Dies steht im Gegensatz zum üblicheren Ansatz in der Evolutionsgenetik, bei dem Forscher mit einem Merkmal (Phänotyp) beginnen und versuchen, die Gene zu identifizieren, die es verursachen.

Die umgekehrte genetische Suche zeigte den ETH-Forschenden, dass die beiden Gene das Wachstum des Pollenschlauchs steuern. Darüber hinaus unterscheiden sich die fraglichen Gene in etablierten tetraploiden Populationen der Sandgänsekresse oft geringfügig von den Versionen diploider Individuen. „Mit anderen Worten: Die Evolution hat einen Weg gefunden, die beiden Gene minimal so zu variieren, dass tetraploide Individuen fruchtbar sind“, sagt Bomblies.

Nutzen für die Pflanzenzüchtung noch unklar

Wissenschaftler haben noch nicht alle Geheimnisse über die Unfruchtbarkeit neu gebildeter Polyploide gelüftet. „Wir untersuchen derzeit weitere Genkandidaten, die ebenfalls am Wachstum der Pollenschläuche beteiligt sind“, sagt Bomblies.

Ob sich die neuen Erkenntnisse auf die Pflanzenzüchtung übertragen lassen, muss noch untersucht werden. Allerdings seien die beiden Gene „hochkonserviert“. Dies bedeutet, dass sie im Laufe der Evolutionsgeschichte eines Organismus erhalten geblieben sind und in verschiedenen Arten vorkommen können.

Bomblies glaubt daher, dass es möglich wäre, die beiden Sandkresse-Gene auf andere Arten zu übertragen. Daran arbeitet sie derzeit mit ihrer Gruppe: Die Forscher testen, ob sie die beiden Gene auf die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einen nahen Verwandten der Sand-Gänsekresse, übertragen können. „Wenn es uns gelingt, das Genkonstrukt auf eine andere Art zu übertragen, könnten sich interessante Möglichkeiten für die Züchtung neuer Nutzpflanzen eröffnen“, sagt sie.