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Eine Trumpfkarte der Natur - Sanduhr der embryonalen Entwicklung tickt auch bei Pflanzen

06.09.2012
Wissenschaftler des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie (IPB) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben das für das Tierreich postulierte Sanduhr-Modell der embryonalen Entwicklung erstmals auch bei Pflanzen nachgewiesen.

An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigten Dr. Marcel Quint (IPB) und Professor Ivo Große (MLU), dass diese in ihrer Entwicklung von der befruchteten Eizelle zum reifen Embryo eine Phase höchster genetischer Kontrolle durchläuft (2012, Nature, DOI 10.1038/nature11394).

Evolutionär junge, wandelbare Gene werden in dieser Phase stillgelegt, während die alten, wenig wandelbaren (konservierten) Gene aus Bakterien und Algen aktiv bleiben. Ein adäquater genetischer Checkpoint existiert auch bei Tieren. Der Befund ist ein weiterer Beweis für ein konvergentes Fortschreiten der Evolution.

Wirbeltiere wie Fische, Frösche oder Menschen durchlaufen in ihrer Entwicklung von der befruchteten Eizelle bis zur Geburt ein bestimmtes Embryonalstadium, in dem sie rein äußerlich (morphologisch) kaum voneinander zu unterscheiden sind. Die Beschreibung dieses Phänomens geht auf den deutsch-baltischen Zoologen Karl Ernst von Baer zurück, der diese Entdeckung bereits 1828 publizierte.

Später stellte sich heraus, dass sich die Embryonalentwicklung (Embryogenese) von Tieren offenbar in drei verschiedenen Phasen vollzieht: Während sich die Embryonen verschiedener Arten in den frühen und späten Entwicklungsphasen äußerlich klar voneinander unterscheiden, erreichen sie in den mittleren Stadien ihrer Embryogenese einen Zustand maximaler morphologischer Ähnlichkeit. In Anlehnung an dieses Muster entwarf man das Sanduhr-Modell der Embryogenese, bei dem die Phase maximaler morphologischer Ähnlichkeit von der Engstelle in der Mitte der Sanduhr symbolisiert wird.

Der genetische Beweis für dieses entwicklungsbiologische Modell wurde erst kürzlich für die tierischen Modellorganismen Fruchtfliege und Zebrafisch erbracht (2010, Nature 468). Parallel zur morphologischen Ebene konnte hier gezeigt werden, dass in der mittleren Phase der Embryogenese nur die alten, hochkonservierten Gene aktiv bleiben und in Proteine umgeschrieben werden. Da die alten Gene seit mindestens einer Milliarden Jahre kaum noch Veränderungen unterlagen, sind sie bei allen Arten nahezu gleich: Die Embryonen gleichen sich demzufolge offenbar auch morphologisch in ihrer Form und Struktur; sie bilden in eine Art Urtyp-Embryo.

Bei Pflanzen konnte das morphologisch basierte Sanduhr-Modell bisher nicht nachgewiesen werden. Auf molekularer Ebene jedoch wurde jetzt der Beweis erbracht, dass auch die pflanzliche Embryogenese nach den Prinzipien des Sanduhr-Modells abläuft. Dafür verglichen die Hallenser Wissenschaftler die Abfolgen der Genbausteine (Gensequenzen) aller 28.000 Gene der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) mit dem kompletten Gensatz von jeweils 1500 anderen Pflanzen-, Algen-, Bakterien-, Pilz- und Tierarten. Anhand der Sequenzvergleiche konnte jedem der 28.000 Arabidopsis-Gene ein evolutionäres Alter zugewiesen werden. Rund 11.000 Gene wurden als evolutionär alt eingestuft. Sie entstanden vor maximal 3,5 Milliarden Jahren, in einer Zeit bevor sich die belebte Welt in Pflanzen, Pilze und Tiere trennte. Alle anderen Gene bekamen die Kategorie evolutionär jung.

Nach dieser Einteilung in jung und alt, wurden die Genaktivitäten aller 28.000 Gene der Ackerschmalwand in frühen, mittleren und späten Embryonalstadien untersucht. Ergebnis: Im mittleren Stadium - nach der Form des Embryos als Torpedostadium bezeichnet – werden die evolutionär jungen Gene gezielt deaktiviert und in späteren Phasen wieder angeschaltet. Die alten Gene bleiben hingegen in allen Phasen der pflanzlichen Embryogenese gleichermaßen aktiv. Für diese Erkenntnis haben die Hallenser Biologen und Bioinformatiker um Marcel Quint und Ivo Große keinen einzigen Laborversuch gemacht, sondern lediglich leistungsstarke Rechencluster mit den richtigen Arbeitsaufgaben bestückt. Alle erforderlichen Ausgangsdaten, wie Gensequenzen und -aktivitäten waren in Datenbanken der Scientific Community frei verfügbar.

Obgleich die Evolution nach der Trennung von Tier- und Pflanzenreich zwei komplett verschiedene Wege der Entwicklung und damit auch der Embryogenese beschritten hat, ist dieses Prinzip der Embryogenese – nämlich das Sanduhr-Prinzip – dennoch das gleiche. Dieser erstaunliche Befund ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Evolution auch auf unterschiedlichen Wegen zum gleichen Ergebnis kommen kann. Da die mittlere embryonale Entwicklungsphase offenbar jene wichtige Phase ist, in der alle Organe und Extremitäten angelegt werden, nutzen Pflanzen und Tiere in diesem sensiblen Stadium die gleichen Kontrollmechanismen zur Erhaltung der eigenen Art und zur Verhinderung der Etablierung von Mutationen.

Ein Ausschalten der jungen, wandelbaren Gene bewirkt, dass in dieser Zeit das genetische Programm sehr strikt abläuft und für Veränderungen nicht zugänglich ist. Unter der strengen Herrschaft der alten Gene formieren sich die Zellen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort zu Körperachsen und Organverbänden. Erst wenn das Gerüst steht wird es mit Hilfe der jungen Gene artspezifisch und individuell verkleidet. Auch wenn die Natur ihre Karten nach dem Zufallsprinzip verteilt – im Fall der Embryogenese kann die Sanduhr nur passieren, wer im Besitz der Trumpfkarte eines korrekten Grundgerüstes ist.

Ansprechpartner: Dr. Marcel Quint
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie
Tel.: 0345 5582 1230
mquint@ipb-halle.de

Sylvia Pieplow | idw
Weitere Informationen:
http://www.ipb-halle.de/

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