Bei jungen Pflanzenembryos haben die mütterlichen Genen das Sagen: Sie kontrollieren die Entwicklung des Embryos und schalten die väterlichen Gene vorübergehend stumm. Dies berichtet ein internationales Forschungsteam jetzt in „Cell“. Der neu entdeckte Mechanismus könnte für die Aufrechterhaltung der Artgrenze verantwortlich sein und auch für die Entwicklung von neuem Saatgut eine Schlüsselrolle spielen.
Bei einem Embryo stammt die eine Hälfte des Erbgutes von der Mutter, die andere vom Vater, und beide leisten ihren Beitrag zur Entwicklung der Nachkommen. So hat es gemäß Lehrmeinung zu sein, und so ist es auch tatsächlich ab einem fortgeschrittenen Entwicklungstand des pflanzlichen Embryos. Doch ganz zu Beginn der Embryonalentwicklung sieht es anders aus, wie jetzt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Pflanzengenetikern der Universität Zürich und der Universität Montpellier herausgefunden hat.
Für ihre Untersuchungen kreuzten die Forscher zwei genetisch gut unterscheidbare Rassen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) und analysierten den Beitrag der mütterlichen und väterlichen Gene unmittelbar nach der ersten Zellteilung. Molekulargenetische Untersuchungen an Pflanzenembryonen in dieser frühen Phase sind ausgesprochen schwierig auszuführen. Aus diesem Grund beschränkten sich bisher viele Untersuchungen auf bereits weiter entwickelte Embryonen. Doch Ueli Grossniklaus, Professor für Pflanzengenetik an der Universität Zürich, hat eine Vorliebe für schwierig zu analysierende Entwicklungsstadien und kann diese dank neuester Technologie wie des „Next Generation Sequencing“ auch untersuchen.
Stummgeschaltete väterliche Gene
Es zeigte sich, dass in der Frühphase der Embryonalentwicklung überwiegend die mütterlichen Gene aktiv sind. Die Mutter kontrolliert mittels sogenannt kleiner Ribonukleinsäure-Moleküle (siRNAs) die väterlichen Gene und hält diese für eine gewisse Zeit inaktiv und bringt sie zum Schweigen. Im Laufe der weiteren Embryogenese werden die väterlichen Gene dann sukzessive eingeschaltet, was ebenfalls von mütterlichen Faktoren abhängt. Für die Forschung kommt diese Erkenntnis überraschend, nahm man doch bisher an, dass die Funktion von siRNAs darin besteht, sogenannte hüpfende Gene (Transposons) in Schach zu halten.
Mutterpflanze schützt Nachkommen vor Inkompatibilität
Das vorübergehende Stummschalten der väterlichen Gene am Anfang der Embryogenese ist nach Ansicht von Grossniklaus aus Sicht der Mutterpflanze durchaus sinnvoll: Die Mutterpflanze investiert beträchtliche Ressourcen, um Samen zu produzieren. Bevor sie die dafür nötigen Ressourcen einsetzt, wird das männliche Genom auf seine Kompatibilität kontrolliert. Wenn das väterliche Genom zu weit entfernt ist, zum Beispiel von einer anderen Art stammt, stirbt der Pflanzenembryo ab.
Die Interessen von mütterlicher und väterlicher Pflanze stehen am Anfang der Embryogenese in einem gewissen Widerspruch. Die pollenspendene, väterliche Pflanze hat das Interesse, dass ihre Nachkommen möglichst viele Ressourcen von der Mutterpflanze erhalten. Die weibliche Pflanze ist dagegen an möglichst gut kompatiblem Erbmaterial interessiert, um keine Ressourcen zu verschwenden. „Wir haben es mit einem klassischen Elternkonflikt zu tun“, fasst Grossniklaus den Zielkonflikt zusammen.
Aufrechterhalten der Artgrenzen
Der von diesem internationalen Team entdeckte Mechanismus spielt möglicherweise für den Erhalt der Artgrenzen eine Rolle. Denn bei Inkompatibilität sterben die Embryonen ab und eine Befruchtung mit Pollen verwandter Pflanzenarten ist nicht erfolgreich. Er liefert eine mögliche Erklärung
dafür, weshalb Versuche Wildformen und Kulturpflanzen miteinander zu kreuzen – zum Beispiel um bei Wildpflanzen vorhandene Krankheitsresistenzen auf Kulturpflanzen zu übertragen – oft bereits in der frühen Embryogenese scheitern. Eine große Distanz zwischen mütterlichem und väterlichem Erbgut wird durch diesen Mechanismus erkannt, und die weitere Entwicklung des Embryos gestoppt. Die kommerziellen Entwickler von neuen Saatgutlinien werden sich somit die Frage stellen, ob und wie sich die mütterliche Kontrolle in der Frühphase der pflanzlichen Embryogenese umgehen lässt. (Cell, 2011; doi: 10.1016/j.cell.2011.04014.)
(Universität Zürich, 30.05.2011 – NPO)
