Embryos: Das tierische Geheimnis der Pflanzen

Für Wirbeltiere und somit auch für Menschen gilt: Ihre Embryonen sind in einer bestimmten Entwicklungsphase kaum zu unterscheiden. Vorher und nachher sind die Unterschiede zwischen den Arten hingegen groß.

Daher spricht man vom Sanduhr-Prinzip der embryonalen Entwicklung. Dieses Prinzip haben Wissenschaftler des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie (IPB) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nun auch für Pflanzen nachgewiesen. Es handelt sich um ein gemeinsames molekulares Phänomen. Eine Erkenntnis, die einen Beitrag zum Verständnis der Entstehung von Biodiversität leisten kann. Die Forschungsergebnisse der Hallenser sind nachzulesen im renommierten Magazin „Nature“.

„Befruchtete Eizellen können selbst zwischen nah verwandten Arten sehr unterschiedlich sein, dann werden die sich entwickelnden Embryonen ähnlicher und ähnlicher, bis sie irgendwann fast ununterscheidbar sind. Und dann platzt aus ihnen die Biodiversität hervor, die wir auf unserem Planeten vorfinden.“ So beschreibt MLU-Bioinformatik-Professor Ivo Große das Sanduhr-Prinzip. „Was da auf molekularer Ebene passiert, wissen wir allerdings erst seit knapp zwei Jahren durch die Arbeiten zweier Gruppen aus Dresden und Plön.
In der Phase der Ähnlichkeit werden die wichtigen Organe angelegt, weswegen aktive Gene in dieser Phase besonders anfällig für Mutationen und damit eventuelle Missbildungen sind. Im Embryo wird das kompensiert durch die Aktivierung von evolutionär alten Genen, die zwischen Arten hochkonserviert sind. Die Embryonen gleichen sich demzufolge eine Zeit lang in Form und Struktur.“

Ivo Großes langjähriger Kooperationspartner Dr. Marcel Quint, Biologe am IPB, hatte die Idee, das Ganze auch bei Pflanzen zu untersuchen. „Die Evolution hat zweimal unabhängig voneinander Embryogenese entwickelt“, sagt Quint. „Das Ziel ist jeweils das gleiche: die Koordination der Entwicklung von der Eizelle bis hin zum komplexen Organismus. Aber die Grundvoraussetzungen sind unterschiedlich. Pflanzenzellen haben zum Beispiel Zellwände, tierische Zellen nicht. Wir fragten uns: Gibt es dennoch Gemeinsamkeiten? Muster, die für Tiere und Pflanzen essentiell sind, damit ein Individuum durch die Embryogenese kommt?“

Die Antwort lautet ganz klar: Ja. Große und Quint haben gemeinsam mit zwei Doktoranden und zwei Bachelor-Studenten den molekularen Beweis erbracht, anhand von Gensequenzen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Durch Sequenzvergleiche konnten sie jedem der rund 28.000 Gene dieser Modellpflanze ein evolutionäres Alter zuweisen. Und im vergangenen Frühjahr wurden Daten verfügbar, die die Aktivität aller Gene in den verschiedenen Stadien der Embryogenese beschreiben. Eine echte Herausforderung für die Bioinformatiker der MLU: Mehr als 200 Milliarden Sequenzvergleiche waren nötig, um die entscheidenden Zusammenhänge nachweisen zu können.

Nun steht also fest: Tierische und pflanzliche Embryonen müssen, wenn ihr jeweiliger Bauplan angelegt wird, durch ein und dasselbe Nadelöhr schlüpfen – und sie tun das auf ein und dieselbe Art und Weise. Wie es dazu kommt, bleibt vorerst das gemeinsame Geheimnis von Tieren und Pflanzen. „Das ist unsere Herausforderung für die Zukunft: den Mechanismus zu entschlüsseln, der dafür sorgt, dass in der entscheidenden Phase die jungen Gene weitgehend abgeschaltet und die alten aktiv sind“, erklärt Marcel Quint. „Wobei uns klar ist, dass sich viele Wissenschaftlicher weltweit dieser Herausforderung stellen werden“, ergänzt Ivo Große. „Nicht nur Entwicklungsbiologen werden das Geheimnis lüften wollen. Auch für Wissenschaftler, die die Entstehung von Biodiversität erforschen, damit wir Menschen sie besser schützen können, ist das ein heißes Thema.“

Veröffentlichung in „Nature“
(zunächst online unter http://www.nature.com/nature ab Mittwoch, 5. September 2012, 19 Uhr; Print-Veröffentlichung folgt)
„A transcriptomic hourglass in plant embryogenesis“
Autoren: Dr. Marcel Quint und Prof. Dr. Ivo Große sowie Markus Bönn, Hajk-Georg Drost, Alexander Gabel und Kristian Ullrich

DOI: 10.1038/nature11394

Ansprechpartner:
Dr. Marcel Quint
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB)
Telefon: 0345 55821230
E-Mail: mquint@ipb-halle.de

Prof. Dr. Ivo Große
Institut für Informatik, Arbeitsgruppe Bioinformatik
Telefon: 0345 5524774
E-Mail: ivo.grosse@informatik.uni-halle.de