Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erbinformation auf Wanderschaft von Pflanze zu Pflanze

01.02.2012
Pflanzen, die im gleichen Verbreitungsgebiet wachsen, zeigen manchmal erstaunlich hohe Gemeinsamkeiten in der DNA ihrer grünen Chloroplasten, obwohl sie ganz unterschiedlichen Arten angehören.
Dieses Phänomen erklärten Forscher sich bisher damit, dass vermutlich hin und wieder Kreuzungen zwischen verschiedenen Spezies auftreten und die Nachkommen neue Kombinationen von Chloroplasten- und Kerngenom tragen. „Chloroplastenfang“ oder „chloroplast capture“ tauften sie das Modell. Wissenschaftler um Ralph Bock vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben herausgefunden, dass Pflanzen auch an Kontaktflächen Chloroplasten oder deren Genome austauschen können.

Viele hölzerne Pflanze, vor allem Obstbäume und Rosenstöcke, werden von Gärtnern absichtlich beschädigt. Ihnen werden Äste abgeschnitten oder Kerben in die Rinde geschlagen, um an diesen Stellen Teile einer anderen Pflanze einzusetzen. Die Pflanze, die mit den Wurzeln im Boden steckt, heißt Unterlage. Die andere, von welcher nur ein neuer Ast stammt, nennt man fachsprachlich Pfropfreis oder Edelreis.

Gezeigt ist eine natürliche Pfropfung zwischen einer Birke (links) und einer Eiche (rechts). Sexuell inkompatible Spezies können an solchen Stellen Chloroplastengenome austauschen. Foto: Ralph Bock

Der Zweck dieser gärtnerischen Gräueltaten liegt unter anderem darin, besonders ertragreiche Sorten zu vermehren ohne dass einem die Mendelschen Vererbungsregeln in die Quere kommen, nach denen immer nur ein Teil der Nachkommen die gleichen Eigenschaften aufweist 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 Gentransfer (HGT), also eine Übertragung von Genen ohne geschlechtliche Fortpflanzung, stattfinden. Früher dachte man, dass HGT nur bei Prokaryoten, also 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 HGT keinesfalls nur auf Prokaryoten 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 per HGT 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 Nicotiana benthamiana, eine krautige Pflanzenart, und Nicotiana glauca, ein Baum, 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 (YFP) in die DNA des Zellkerns eingebracht. Der Kulturtabak hingegen enthielt in seiner Chloroplasten-DNA eine andere Antibiotika-Resistenz und ein grünfluoreszierendes Protein (GFP). 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 Donor und Rezipient. „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, diese schmalen 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.

Weitere Informationen:

http://www-de.mpimp-golm.mpg.de/aktuelles/start/index.html Die Pressemitteilung im auf den Seiten des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie.

Kontakt
Ralph Bock
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam
Tel. 0331/567 8702
RBock@mpimp-golm.mpg.de

Claudia Steinert
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam
Tel. 0331/567 8275
Fax 0331/567 8408
Steinert@mpimp-golm.mpg.de
http://www.mpimp-golm.mpg.de

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

Ursula Ross-Stitt | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpimp-golm.mpg.de
http://www-de.mpimp-golm.mpg.de/aktuelles/start/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunabwehr ohne Kollateralschaden
23.01.2017 | Universität Basel

nachricht Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens
23.01.2017 | Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie