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Claudia Steinert

Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam-Golm

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Originalpublikation

Sandra Stegemann, Mandy Keuthe, Stephan Greiner, Ralph Bock
Horizontal transfer of chloroplast genomes between plant species
PNAS Online Publication, 30 January 2012, DOI: 10.1073/pnas.1114076109

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Erbinformation wandert von Pflanze zu Pflanze

An Kontaktflächen tauschen nicht-kreuzbare Arten die Genome ihrer Chloroplasten aus

2. Februar 2012

Pflanzenforscher verwunderte es lange Zeit, warum die DNA aus den grünen Chloroplasten der Pflanzen sich oft dann besonders stark ähnelte, wenn verwandte Pflanzenarten das gleiche Verbreitungsgebiet hatten. Dieses als „Chloroplastenfang“ bezeichnete Phänomen erklärten sie damit, dass vermutlich hin und wieder Kreuzungen zwischen verschiedenen Spezies auftraten und diese Nachkommen dann neue Kombinationen von Chloroplasten- und Kerngenom aufwiesen. Wissenschaftler um Ralph Bock vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben jetzt herausgefunden, dass ein solcher Transfer von ganzen Chloroplasten beziehungsweise ihrer Genome auch an einfachen Kontaktflächen zwischen Pflanzen und ganz ohne Fortpflanzung stattfinden kann. Das neue Chloroplastengenom lässt sich sogar an die nächste Generation vererben, was wiederum neue Eigenschaften mit sich bringen kann und sowohl für das Verständnis von Evolution als auch für Züchter von hoher Bedeutung ist.
Natürliche Pfropfung zwischen einer Birke (links) und einer Eiche (rechts). Sexuell inkompatible Spezies können an solchen Stellen Chloroplastengenome Bild vergrößern
Natürliche Pfropfung zwischen einer Birke (links) und einer Eiche (rechts). Sexuell inkompatible Spezies können an solchen Stellen Chloroplastengenome austauschen.
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Viele hölzerne Pflanzen, vor allem Obstbäume und Rosenstöcke, werden von Gärtnern absichtlich beschädigt. Sie schneiden den Gewächsen die Äste ab oder schlagen Kerben in die Rinde, um an diesen Stellen Teile einer anderen Pflanze einzusetzen. Der Zweck dieser gärtnerischen Maßnahme liegt unter anderem darin, ertragreiche Sorten besonders effektiv zu vermehren. Denn nach den klassischen Mendelschen Vererbungsregeln weist immer nur ein Teil der Nachkommen die gleichen Eigenschaften auf wie die Eltern. Mit Hilfe eines einzigen Asts einer erfolgreichen Apfelsorte wird – auf eine neue Unterlage gepfropft – ein Klon des Baumes erzeugt. Solche Veredelungen werden aber nicht nur künstlich vom Menschen ausgelöst. Auch wenn Pflanzen sehr nah beieinander stehen, können sie an Kontaktflächen zusammenwachsen.

An eben diesen Kontaktflächen kann nun ein horizontaler Gentransferstattfinden, also eine Übertragung von Genen ohne geschlechtliche Fortpflanzung. Früher dachte man, dass ein solcher Gentransfer nur bei Lebewesen ohne echten Zellkern möglich sei. Von Bakterien beispielsweise war lange bekannt, dass sie überlebenswichtige Gene, wie zum Beispiel Antibiotikaresistenzen, über horizontalen Gentransfer an andere Bakterienstämme weitergeben können. Inzwischen weiß man, dass sich dieses Phänomen keinesfalls nur auf solche Organismen beschränkt. Auch an Kontaktflächen verschiedener menschlicher Gewebe, wie beispielsweise nach einer Organtransplantation, oder eben bei zusammenwachsenden Pflanzen kann ein Austausch von Genen stattfinden. Bereits 2009 fanden Ralph Bock und Sandra Stegemann heraus, dass Erbinformation aus den grünen Chloroplasten auf diese Weise von einer Pflanze auf eine andere übergehen kann. Ihre Erkenntnisse damals beschränkten sich jedoch auf die Übertragung von Genen innerhalb einer Art.

In ihren neuen Experimenten pfropften sie die auf natürlichem Wege nicht kreuzbaren Tabakarten die krautige Nicotiana benthamiana und den Baum Nicotiana glauca auf die Kulturart Nicotiana tabacum. Den beiden Wildarten N. benthamiana und N. glauca hatten sie vorher Gene für eine Resistenz gegen ein Antibiotikum sowie ein gelbfluoreszierendes Protein in die DNA des Zellkerns eingebracht. Der Kulturtabak hingegen enthielt in seiner Chloroplasten-DNA eine andere Antibiotika-Resistenz und ein grünfluoreszierendes Protein. Nach dem erfolgreichen Verwachsen der Pflanzen schnitten sie die Pfropfungsstellen aus und kultivierten das Gewebe auf einem Wachstumsmedium, das beide Antibiotika enthielt. Unter diesen harschen Bedingungen kann nur überleben, wer sich gegen beide Antibiotika zur Wehr setzen kann, also solche Zellen von N. benthamiana und N. glauca, die Plastiden von N. tabacum bzw. deren Erbinformation aufgenommen hatten. Tatsächlich wuchsen aus etwa der Hälfte der Schnittproben neue Pflänzchen heran und unter dem Mikroskop zeigte sich in den Zellen das charakteristische grüne und gelbe Leuchten der Markerproteine.

„Besonders interessant sind jedoch die Ergebnisse der DNA-Sequenzierung“, sagt Sandra Stegemann, Erstautorin des Papers. „Das Chloroplastengenom von N. tabacum ist nämlich unverändert an die beiden anderen Tabaksorten weitergegeben worden.“ Bei den anderen Zellorganellen mit eigener DNA, den Mitochondrien, kommt es oft zu einer Vermischung des Erbguts von Spender und Empfänger. „Die neuen Chloroplasten jedoch hatten ihr eigenes Erbgut zu einhundert Prozent behalten und die alten vollständig aus den Pflanzenzellen verdrängt. Sie wurden sogar an die nächste Generation vererbt“, führt Stegemann weiter aus.

Nun treibt die Wissenschaftler die Frage um, auf welchem Wege die Chloroplasten ihre ursprüngliche Heimat verlassen und sich ein neues Zuhause suchen. Wandern sie durch die Plasmodesmata, schmale Tunnel, die sich zwischen Pflanzenzellen ausbilden können? Oder löst sich gar punktuell die Zellwand auf und macht so den Weg frei? „Wir wissen bisher nicht, wie die Chloroplasten von einer Zelle in eine andere gelangen“, so der Leiter der Arbeitsgruppe Ralph Bock. „Entscheidend ist aber, dass sie es tun und sich somit zum einen wichtige evolutionäre Prozesse erklären lassen und zum anderen neue Möglichkeiten für die Züchtung von Pflanzen ergeben.“ Auch die DNA von Chloroplasten trägt schließlich zur Fitness der Pflanze bei und kann ihr entscheidende Überlebensvorteile verschaffen.

CSt/HR

 
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