Ein evolutionäres Mysterium, das seit 125 Millionen Jahren entsteht

Die Pflanzengenomik hat einen langen Weg zurückgelegt, seit das Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) dabei geholfen hat, das erste Pflanzengenom zu sequenzieren. Aber die Entwicklung der perfekten Ernte ist in vielerlei Hinsicht immer noch ein Glücksspiel. Die gleiche DNA-Mutation in zwei verschiedenen Pflanzen führt nicht immer zu den gewünschten Pflanzenmerkmalen. Die Frage ist, warum nicht? CSHL-Pflanzenbiologen haben gerade einen Grund gefunden.

CSHL-Professor und HHMI-Forscher Zachary Lippman und sein Team entdeckten, dass Tomaten- und Arabidopsis thaliana-Pflanzen sehr unterschiedliche Regulierungssysteme verwenden können, um genau dasselbe Gen zu steuern. Unglaublicherweise brachten sie dieses Verhalten mit extremen genetischen Veränderungen in Verbindung, die im Laufe der 125 Millionen Jahre andauernden Evolution stattfanden.

Die Wissenschaftler nutzten die Bearbeitung des Genoms, um über 70 mutierte Stämme von Tomaten- und Arabidopsis thaliana-Pflanzen zu erzeugen. Bei jeder Mutation wurde ein Teil der regulatorischen DNA um ein als CLV3 bekanntes Gen gelöscht. Anschließend analysierten sie die Auswirkungen jeder Mutation auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung. Als die DNA, die CLV3 in Schach hielt, zu stark mutiert war, explodierte das Fruchtwachstum. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in PLoS-Genetik.

Danielle Ciren, eine Absolventin der CSHL School of Biological Sciences, die diese Studie leitete, erklärt: „CLV3 hilft Pflanzen, sich normal zu entwickeln. Wenn es nicht genau zum richtigen Zeitpunkt aktiviert würde, würden die Pflanzen ganz anders aussehen. Alle Früchte.“ wäre riesig und nicht ideal. Man muss Wachstum und Ertrag in Einklang bringen. Wenn eine Pflanze riesige Tomaten hat, aber nur zwei, ist das dann genauso vorteilhaft wie ein geringerer Ertrag? Es gibt keine einfache Lösung. Man opfert immer etwas, wenn man es versucht um etwas zu verbessern.“

Bei Tomaten wirkten sich technische Mutationen am Anfang, aber nicht am Ende des CLV3-Gens dramatisch auf die Fruchtgröße aus. Bei Arabidopsis mussten Bereiche um beide Teile des Gens zerstört werden. Dies deutet darauf hin, dass in den letzten 125 Millionen Jahren etwas passiert ist, das dazu geführt hat, dass sich die Pflanzen anders entwickelt haben. Was genau passiert ist, bleibt ein Rätsel.

„Man kann nicht zum gemeinsamen Vorfahren zurückkehren, weil sie nicht mehr existieren. Daher ist es schwer zu sagen, wie der ursprüngliche Zustand war und wie die Dinge durcheinander gekommen sind“, sagt Ciren. „Die einfachste Erklärung ist, dass ein regulatorisches Element in gewisser Weise erhalten bleibt und auf subtile Weise verändert wurde. Das ist etwas unerwartet.“

Sicher ist, dass die genetische Regulierung zwischen den Pflanzenarten nicht einheitlich ist. Die Aufdeckung dieser genetischen Unterschiede könnte dazu beitragen, die Gentechnik von Nutzpflanzen vorhersehbarer zu machen. Und das wäre ein großer Gewinn nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für Landwirte und Pflanzenzüchter auf der ganzen Welt.