Der weltweite Markt für Zimmerpflanzen boomt und soll bis 2025 ein Volumen von 7,27 Milliarden US-Dollar erreichen. Chimäre Pflanzen, die erstmals im 17. Jahrhundert erwähnt wurden, erfreuen sich aufgrund ihrer charakteristischen bunten Muster großer Beliebtheit. Diese Muster sind ein Produkt der Struktur und Entwicklung des Spross-Apikalmeristems (SAM) der Pflanze.
Jüngste Studien haben gezeigt, dass chimäre Pflanzen, die sowohl normales als auch Albino-Gewebe aufweisen, häufig auf Mutationen im Plastom zurückzuführen sind, dem genetischen Material in Chloroplasten, das für die Photosynthese verantwortlich ist. Diese Mutationen beeinflussen die Transkription von Plastidengenen, die durch zwei Arten von RNA-Polymerasen reguliert wird, und führen zu unterschiedlichen phänotypischen Ausprägungen. Die genauen genetischen Auslöser und die Regulation des Chimärismus sind jedoch noch unbekannt.
Im November 2022, Gartenbauforschung veröffentlichte eine Perspektive mit dem Titel „Hochdurchsatz-Entdeckung von Plastidengenen, die Albino-Phänotypen in chimären Zierpflanzen verursachen.“
In dieser Studie untersuchten Forscher 23 chimäre Pflanzen verschiedener Arten und rekonstruierten ihre Plastome de novo mithilfe einer Methode, die die genomische DNA-Sequenzierung von grünem Blattgewebe (GLT) und Albinoblattgewebe (ALT) umfasst. Diese Ergebnisse zeigten eine vierteilige Struktur in Angiosperm-Plastomen und einen Mangel an umgekehrten Wiederholungen in Gymnosperm-Plastomen. Entscheidend ist, dass die Studie bei 14 von 23 Pflanzen Heteroplasmie feststellte, wobei Abweichungen in den von GLT und ALT abgeleiteten Plastomen auf einzelne Punktmutationen zurückzuführen sind.
Zwischen GLT und ALT wurden keine Unterschiede in der nuklearen ribosomalen DNA beobachtet. Die anschließende Analyse der Plastome identifizierte 14 unabhängige Genmutationen in acht Plastidengenen und bestätigte, dass jede Mutation bestimmte Aspekte der Chloroplastenfunktion stören würde, was zur Entstehung von Albinozonen oder Blättern führen würde. Darüber hinaus zeigte sich bei den Sequenzierungsablesungen von Wildtyp- und mutierten Plastomen zwischen GLT und ALT ein bemerkenswerter Kontrast, wobei Mutationen überwiegend in den ALT-Plastomen gefunden wurden, was auf eine Störung der Chloroplastenfunktion hindeutet.
Um die funktionellen Auswirkungen zu untersuchen, wurde die in den Albinoblättern von R. japonica entdeckte RpoC2-Mutation charakterisiert. Strukturanalysen mittels Proteinmodellierung und Vergleich mit einer bakteriellen RNA-Polymerase deuteten darauf hin, dass die Mutation wahrscheinlich die strukturelle Integrität und Funktion des Enzyms beeinflusst. Die Transkriptionsanalyse bestätigte die Auswirkungen dieser Mutation mit einem deutlichen Rückgang der Expression von Photosystem-bezogenen Genen in ALT.
Weitere Forschungsergebnisse deuteten darauf hin, dass sich das Photosystem in ALT nicht korrekt bilden kann und dass die Substitution von RpoC2 His114Pro in ALT-Plastiden die korrekte Transkription photosynthetischer Gene beeinträchtigen und dadurch die Photosynthese in Albino-Geweben beeinträchtigen könnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie nicht nur spezifische Mutationen identifizierte, die mit dem Albino-Phänotyp in chimären Pflanzen verbunden sind, sondern auch Aufschluss über die bedeutende Rolle dieser Mutationen bei der Beeinträchtigung der Photosynthesemaschinerie der Pflanzen gab. Diese Erkenntnisse sind von entscheidender Bedeutung und legen den Grundstein für zukünftige Forschungen, die auf das Verständnis der Plastidenbiogenese und der Entwicklung von Organellengenomen abzielen und so möglicherweise zur Weiterentwicklung gartenbaulicher Praktiken und der Gentechnik für bunte Pflanzensorten führen.
Mehr Informationen:
Hyun-Seung Park et al., Hochdurchsatz-Entdeckung von Plastidengenen, die Albino-Phänotypen in chimären Zierpflanzen verursachen, Gartenbauforschung (2022). DOI: 10.1093/hr/uhac246