Zweistufiger molekularer Prozess verdrahtet den Nährstofftransport in der wilden Ackerschmalwand neu

Neue Forschungen an Pflanzen, die die Basis eines aktiven Stratovulkans besiedelt haben, zeigen, dass zwei einfache molekulare Schritte den Nährstofftransport neu verdrahten und die Anpassung ermöglichen.

Ein internationales Team unter der Leitung von Angela Hancock am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln (Deutschland) mit Wissenschaftlern der Associação Projecto Vitó und des Parque Natural do Fogo (Kap Verde), der University of Nottingham (UK) und der Universität aus Bochum (Deutschland) untersuchten eine wilde Population der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die die Basis eines aktiven Stratovulkans besiedelt. Sie fanden heraus, dass ein zweistufiger molekularer Prozess den Nährstofftransport in der Bevölkerung neu verdrahtete. Die Ergebnisse, veröffentlicht heute in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte, zeigen einen außergewöhnlich klaren Fall eines adaptiven Gehens in einer Wildpopulation. Die Entdeckung hat weitreichendere Auswirkungen auf die Evolutionsbiologie und die Verbesserung von Nutzpflanzen.

Anpassung an eine neuartige Bodenumgebung

Die Nährstoffhomöostase ist entscheidend für das richtige Pflanzenwachstum und somit von zentraler Bedeutung für die Pflanzenproduktivität. Die Lokalisierung der genetischen Veränderungen, die es Pflanzen ermöglichen, unter neuartigen Bodenbedingungen zu gedeihen, liefert Einblicke in diesen wichtigen Prozess. Angesichts der immensen Größe eines Genoms ist es jedoch eine Herausforderung, die spezifischen funktionellen Varianten zu identifizieren, die eine Anpassung ermöglichen.

Mitglieder des Forschungsteams fanden zuvor heraus, dass Wildpopulationen der molekularen Modellpflanze Arabidopsis thaliana, allgemein als Ackerschmalwand bezeichnet, die Kapverdischen Inseln von Nordafrika aus besiedelten und sich unter Verwendung neuer Mutationen anpassten, die nach der Besiedlung der Inseln entstanden. Dabei konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Population der Ackerschmalwand der Insel Fogo, die am Fuße des Pico de Fogo, einem aktiven Stratovulkan, wächst. „Wir wollten wissen: Was braucht es, um am Fuße eines aktiven Vulkans zu leben? Wie haben sich die Pflanzen an den vulkanischen Boden von Fogo angepasst?“ sagte Hancock.

„Was wir fanden, war überraschend“, sagte Emmanuel Tergemina, Erstautor der Studie. „Während die Pflanzen von Fogo in ihrer natürlichen Umgebung gesund zu sein schienen, wuchsen sie auf normaler Blumenerde schlecht.“ Die chemische Analyse der Fogo-Böden zeigte, dass sie stark von Mangan befreit waren, einem Element, das für die Energieerzeugung und das richtige Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung ist. Im Gegensatz dazu enthielten Blätter von Fogo-Pflanzen, die auf normaler Blumenerde angebaut wurden, einen hohen Mangangehalt, was darauf hindeutet, dass die Pflanzen einen Mechanismus entwickelt hatten, um die Manganaufnahme zu erhöhen.

Zwei Evolutionsschritte zu einem neuen adaptiven Peak

Die Wissenschaftler verwendeten eine Kombination aus genetischer Kartierung und Evolutionsanalyse, um die molekularen Schritte zu entdecken, die es den Pflanzen ermöglichten, Fogos Mangan-begrenzten Boden zu besiedeln.

In einem ersten Evolutionsschritt störte eine Mutation das primäre Eisentransportgen (IRT1) und eliminierte seine Funktion. Die Störung dieses Gens in einer natürlichen Population war bemerkenswert, da dieses Schlüsselgen in allen anderen Populationen der Ackerschmalwand-Arten weltweit intakt vorkommt – anderswo werden solche Störungen nicht gefunden. Darüber hinaus deuten die genetischen Variationsmuster in der genomischen Region von IRT1 darauf hin, dass die gestörte Version von IRT1 für die Anpassung wichtig war. Die evolutionäre Rekonstruktion zeigt, dass sich die Mutation schnell in der gesamten Fogo-Population festgesetzt hat, so dass nun alle Fogo-Ackerschmalwand-Pflanzen diese Mutation tragen. Mithilfe der Gen-Editing-Technologie (CRISPR-Cas9) untersuchten die Forscher die funktionellen Auswirkungen der IRT1-Störung in Fogo und stellten fest, dass sie die Ansammlung von Blattmangan erhöht, was seine Rolle bei der Anpassung erklären könnte. Der Verlust des IRT1-Transporters war jedoch mit einem Preis verbunden: Er reduzierte das Blatteisen stark.

In einem zweiten Evolutionsschritt wurde das Metalltransporter-Gen NRAMP1 in mehreren parallelen Ereignissen dupliziert. Diese Verdopplungen breiten sich schnell aus, sodass mittlerweile fast alle Ackerschmalwandpflanzen in Fogo mehrere Kopien von NRAMP1 in ihrem Genom tragen. Diese Duplikationen verstärken die Funktion des NRAMP1-Gens, erhöhen den Eisentransport und kompensieren den durch IRT1-Unterbrechung induzierten Eisenmangel. Darüber hinaus erfolgte die Amplifikation durch mehrere unabhängige Duplikationsereignisse in der gesamten Inselbevölkerung. Dies war angesichts der kurzen Zeit seit der Besiedlung (ungefähr 5000 Jahre) und des Fehlens ähnlicher Ereignisse in anderen weltweiten Populationen unerwartet. „Der schnelle Anstieg der Häufigkeit dieser Duplikationen zusammen mit ihrer positiven Wirkung auf die Nährstoffhomöostase deutet darauf hin, dass diese für die Anpassung wichtig waren“, erklärte Hancock. „Insgesamt liefern unsere Ergebnisse ein außergewöhnlich klares Beispiel dafür, wie einfache genetische Veränderungen die Nährstoffverarbeitung in Pflanzen neu verdrahten können, was die Anpassung an eine neuartige Bodenumgebung ermöglicht.“

Auswirkungen auf die Ernteverbesserung

Diese Ergebnisse liefern auch einige ermutigende Neuigkeiten für die Pflanzenzüchtung. Traditionell stammen Informationen über die Genfunktion aus Untersuchungen einzelner Mutantenlinien. Durch die Verwendung von Variationen, die in der Natur vorhanden sind, ist es jedoch möglich, komplexere mehrstufige Prozesse aufzudecken, die zu Veränderungen in landwirtschaftlich relevanten Merkmalen führen können. „Die Entdeckung, dass ein einfacher zweistufiger Prozess in diesem Fall den Nährstofftransport verändert, könnte Hinweise für Ansätze liefern, um die Pflanzen zu verbessern, damit sie sich besser an die lokalen Bodenumgebungen anpassen. Darüber hinaus sind Genunterbrechung und Genamplifikation, wie im Fall von IRT1 und NRAMP1 in Fogo einige der am einfachsten zu konstruierenden genetischen Veränderungen, was sie besonders spannend macht, weil sie leicht auf andere Arten übertragbar sind“, sagte Tergemina.