An der Wiederauferstehung von Pflanzen sind viele Gene und nicht ein „Wundergen“ beteiligt

Manche Pflanzen können Monate ohne Wasser überleben, nur um nach einem kurzen Regenschauer wieder grün zu werden. Dass dies nicht an einem „Wundergen“ liegt, zeigt eine aktuelle Studie der Universitäten Bonn und Michigan. Vielmehr ist diese Fähigkeit Folge eines ganzen Netzwerks von Genen, die fast alle auch in anfälligeren Sorten vorhanden sind. Die Ergebnisse sind bereits online erschienen in Das Pflanzenjournal.

Für ihre Studie nahmen die Forscher eine Art unter die Lupe, die an der Universität Bonn schon lange untersucht wird – die Auferstehungspflanze Craterostigma plantagineum. Seinen Namen trägt er zu Recht: In Dürrezeiten könnte man meinen, er sei tot. Aber auch nach monatelanger Dürre reicht ein wenig Wasser, um ihn wiederzubeleben. „Wir untersuchen an unserem Institut seit vielen Jahren, wie die Pflanze das macht“, erklärt Prof. Dr. Dorothea Bartels vom Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO) der Universität Bonn.

Ihr Interesse gilt den Genen, die für die Dürretoleranz verantwortlich sind. Es wurde immer deutlicher, dass diese Fähigkeit nicht das Ergebnis eines einzelnen „Wunder-Gens“ ist. Stattdessen sind sehr viele Gene beteiligt, von denen die meisten auch bei Arten vorkommen, die mit Trockenheit nicht so gut zurechtkommen.

Die Pflanze hat acht Kopien jedes Chromosoms

In der aktuellen Studie analysierte Bartels Team gemeinsam mit Forschern der University of Michigan (USA) das komplette Genom von Craterostigma plantagineum. Und das ist ziemlich komplex aufgebaut: Während die meisten Tiere zwei Kopien von jedem Chromosom haben – eine von der Mutter, eine vom Vater – hat Craterostigma acht. Ein solches „achtfaches“ Genom wird auch als Oktoploid bezeichnet. Wir Menschen hingegen sind diploid.

„Eine solche Vervielfachung der Erbinformation lässt sich bei vielen Pflanzen beobachten, die sich unter extremen Bedingungen entwickelt haben“, sagt Bartels. Aber warum ist das so? Ein wahrscheinlicher Grund: Liegt ein Gen in acht statt zwei Kopien vor, kann es im Prinzip viermal so schnell abgelesen werden. Ein octoploides Genom kann also die sehr schnelle Produktion großer Mengen eines benötigten Proteins ermöglichen. Diese Fähigkeit scheint auch wichtig für die Entwicklung einer Trockenheitstoleranz zu sein.

Bei Craterostigma werden einige Gene, die mit einer größeren Trockenheitstoleranz verbunden sind, sogar noch weiter repliziert. Dazu gehören die sogenannten ELIPs – das Akronym steht für „early light inducible proteines“, da sie durch Licht schnell angeschaltet werden und vor oxidativem Stress schützen. Sie kommen in hoher Kopienzahl bei allen trockenheitstoleranten Arten vor.

„Craterostigma hat fast 200 ELIP-Gene, die nahezu identisch sind und sich in großen Clustern von zehn oder zwanzig Kopien auf verschiedenen Chromosomen befinden“, erklärt Bartels. Dürretolerante Pflanzen können daher vermutlich auf ein umfangreiches Netzwerk an Genen zurückgreifen, das sie bei Trockenheit schnell hochregulieren können.

Dürreempfindliche Arten haben normalerweise die gleichen Gene – wenn auch in geringerer Kopienzahl. Auch das ist nicht verwunderlich: Die Samen und Pollen der meisten Pflanzen sind oft auch nach langen Phasen ohne Wasser noch keimfähig. Sie haben also auch ein genetisches Programm zum Schutz vor Trockenheit. „Allerdings wird dieses Programm bei der Keimung normalerweise abgeschaltet und kann danach nicht wieder aktiviert werden“, erklärt der Botaniker. „In Auferstehungspflanzen hingegen bleibt es aktiv.“

Die meisten Arten können Trockenheit vertragen

Dürretoleranz ist also etwas, das die überwiegende Mehrheit der Pflanzen „kann“. Die Gene, die diese Fähigkeit verleihen, sind vermutlich sehr früh im Laufe der Evolution entstanden. Diese Netzwerke sind jedoch bei dürretoleranten Arten effizienter und außerdem nicht nur in bestimmten Stadien des Lebenszyklus aktiv.

Allerdings hat auch nicht jede Zelle in Craterostigma plantagineum das gleiche „Dürreprogramm“. Das zeigten Forscher der Universität Düsseldorf, die ebenfalls an der Studie beteiligt waren. Beispielsweise sind während der Austrocknung in den Wurzeln andere Gene des Trockenheitsnetzwerks aktiv als in den Blättern. Diese Erkenntnis kommt nicht unerwartet: Blätter zum Beispiel müssen sich vor den schädlichen Einflüssen der Sonne schützen. Dabei helfen ihnen zum Beispiel ELIPs. Bei ausreichender Feuchtigkeit bildet die Pflanze photosynthetische Pigmente, die Strahlung zumindest teilweise absorbieren. Bei Trockenheit versagt dieser natürliche Schutz weitgehend. Wurzeln hingegen müssen keinen Sonnenbrand befürchten.

Die Studie verbessert das Verständnis dafür, warum manche Arten so wenig unter Dürre leiden. Langfristig könnte es daher zur Züchtung von Nutzpflanzen wie Weizen oder Mais beitragen, die Trockenheit besser vertragen. In Zeiten des Klimawandels dürften diese in Zukunft gefragter denn je sein.