Chloroplasten auf Wanderschaft

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

Die Evolution von Pflanzen geht manchmal ungewohnte Wege. Bei der Analyse evolutionärer Stammbäume haben Wissenschaftler herausgefunden, dass häufig das Genom im Zellkern nicht mit dem Genom der Chloroplasten in derselben Pflanzenzelle übereinstimmt.

Andere Studien zeigen, dass sich Pflanzen unterschiedlicher Arten, die im gleichen Verbreitungsgebiet wachsen, manchmal in ihren Chloroplasten erstaunlich ähnlich sind. Diese Phänomene erklären Forscher mit dem horizontalen Gentransfer. Hierbei wird das Genom eines Organismus ohne geschlechtliche Fortpflanzung durch die Übertragung von Genen nachhaltig verändert. Diese Art des Genaustauschs spielt für die evolutionäre Entwicklung eine entscheidende Rolle. Denn durch die Einverleibung fremder Gene rüsten Pflanzen ihre genetischen Ressourcen auf.

In der Natur kann ein horizontaler Gentransfer zwischen unterschiedlichen Pflanzenarten auftreten, wenn diese an bestimmten Kontaktflächen zusammenwachsen, zum Beispiel auch durch Pfropfung. Bei dieser Veredelungstechnik aus dem Gartenbau werden einer Pflanze (sog. Unterlage) Äste abgeschnitten oder Kerben in die Rinde geschlagen, um an diesen Stellen Teile einer anderen Pflanze (sog. Edelreis) einzusetzen. Auf diese Weise können besonders ertragreiche Sorte geklont, also die Mendelschen Vererbungsregeln, die bei der geschlechtlichen Vermehrung zutage treten, umgangen werden. Auch unterschiedliche, gewünschte Eigenschaften von Wurzel und Sproß können kombiniert werden. Ein sehr erfolgreiches Beispiel hierfür sind sog. Pfropfreben. Hierbei wird die gewünschte Edelrebe auf eine reblausresistente Unterlagsrebe aufgepfropft. Diese natürliche Schädlingsbekämpfung schützt den europäischen Weinbau vor der zuvor weit verbreiteten Reblaus.

Chloroplasten schmuggeln Gene über Artgrenze

Mit Pfropfungsexperimenten haben die Potsdamer Forscher bereits 2008 zeigen können, dass die Erbinformation von Chloroplasten von einer Pflanze auf eine andere übertragen werden kann. Nun ist es den Forschern gelungen, einen horizontalen Gentransfer über Artgrenzen hinweg nachzuweisen.

In ihren Experimenten kombinierten sie drei Tabakarten, die sich auf natürlichem Wege nicht kreuzen lassen: sie pfropften Teile von Nicotiana benthamiana (einer krautige Pflanzen) bzw. von Nicotiana glauca (einem Baum) auf die Kulturart Nicotiana tabacum. Vorher hatten sie den beiden Wildarten N. benthamiana und N. glauca Gene für eine Resistenz gegen ein Antibiotikum sowie ein gelbfluoreszierendes Protein (YFP) in die DNA des Zellkerns eingebracht. Der Kulturtabak enthielt in seiner Chloroplasten-DNA eine andere Antibiotika-Resistenz und ein grünfluoreszierendes Protein (GFP). Die molekularen Markerproteine YFP und GFP sollten helfen, die DNA-Moleküle der Unterlage und des Edelreises zu unterscheiden. Nach dem erfolgreichen Verwachsen der Pflanzen schnitten die Wissenschaftler die Pfropfungsstellen aus und kultivierten das Gewebe auf einem Wachstumsmedium, das beide Antibiotika enthielt. Nur die Pflanzen überlebten, die sich gegen beide Antibiotika zur Wehr setzen konnten, also gleichermaßen Zellen von N. benthamiana bzw. N. glauca und Chloroplasten bzw. deren Erbinformation von N. tabacum aufgenommen hatten.

Aus der Hälfte der Schnittproben wuchsen neue Pflanzen heran. Unter dem Mikroskop zeigte sich in den Zellen das charakteristische grüne und gelbe Leuchten der Markerproteine. Die anschließende DNA-Sequenzierung offenbarte, dass das Chloroplasten-DNA von N. tabacum unverändert an die beiden anderen Tabaksorten weitergegeben wurde. Bei Mitochondrien, den anderen Zellorganellen mit eigener DNA, kommt es bei einem horizontalen Gentransfer dagegen meist zu einer Vermischung des Erbguts von Donor und Rezipient (Rekombination). Die neuen Chloroplasten hatten nicht nur ihr eigenes Erbgut zu einhundert Prozent behalten, sondern die alten Chloroplasten vollständig aus den Pflanzenzellen verdrängt. Selbst bei der vegetativen Vermehrung wurden die neuen Chloroplasten an die nächste Pflanzengeneration vererbt. Egal welche Tabakart die Forscher als Unterlage und Edelreis verwendeten, das Ergebnis blieb dasselbe.
Horizontaler Gentransfer als Erklärung von Inkonsistenzen im Stammbaum

Wie genau die Chloroplasten von einer Zelle in eine andere gelangen, wissen die Forscher noch nicht. Wandern sie durch die Plasmodesmata, die sich zwischen Pflanzenzellen ausbilden können? Eigentlich sind diese schmalen Plasmabrücken zu dünn, um größere DNA-Moleküle oder ganze Chloroplasten durchzulassen. Oder löst sich gar punktuell die Zellwand auf und macht so den Weg frei? Fest steht, dass die Chloroplasten wandern – zumindest in einem bestimmten Umkreis um die Pfropfungsstelle. Die Experimente wurden mit Tabakpflanzen durchgeführt, weil sich diese besonders einfach mittels Pfropfung vermehren lassen. Ein horizontaler Gentransfer könnte sich jedoch ebenso bei anderen Pflanzen zeigen, nehmen die Forscher an. Wenn dies so ist, könnte dies Inkonsistenzen in evolutionären Stammbäumen von Pflanzen erklären.

Pfropfung als innovative Methode der Pflanzenzüchtung

Da es nur in einem kleinen Bereich um die Pfropfungs- oder Berührungsstelle zwischen den Pflanzen zu einem horizontalen Gentransfer kommt, würden sich die entstehenden neuen Eigenschaften in der Natur nicht weitervererben. Die Forscher konnten jedoch zeigen, dass eine Vermehrung mit ihrem Verfahren durchaus möglich ist. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung. Denn neben der DNA im Zellkern trägt auch die Chloroplasten-DNA zur Fitness der Pflanze bei und kann ihr entscheidende Überlebensvorteile verschaffen. „Wenn wir mehr darüber wissen, welche Auswirkungen etwa Chloroplasten einer Paprika in einer Tomatenzelle haben, könnten wir mittels Pfropfung gezielt Chloroplasten-Genome in andere Pflanzen transferieren und so auf natürliche Weise und vergleichsweise unkompliziert neue Pflanzensorten züchten“, so Professor Ralph Bock, der Leiter der Studie.

Der horizontale Gentransfer zwischen Arten, die auf natürlichem Wege eigentlich nicht kreuzbar sind, kann als eine Art „Gentechnik von Mutter Natur“ begriffen werden, so Professor Bock. Durch den Nachweis dieses natürlichen Prozesses müssten Aussagen über einen unnatürlichen Austausch von Genen zwischen Arten, wie sie gegen die Gentechnik häufig angeführt werden, relativiert werden, so Bock weiter. Die klare Grenze zwischen der natürlichen Evolution und der gentechnischen Veränderung von Pflanzen verschwimmt in der Natur.

Quelle:

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

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