Arabidopsis-Pflanzen: Das Geheimnis kurzer Stängel

Wuchshöhe ist für Pflanzen ein kritisches Merkmal. Im Freiland halbiert Arabidopsis thaliana seine Größe über die gleichen genetischen Veränderungen in der Biosynthese des Pflanzenwachstumsfaktors Gibberellin wie vom Menschen gezüchtete halbwüchsige Reis- und Gerstensorten.

Bei Entwicklungen, die zum gleichen Phänotyp führen, greifen verschiedene Pflanzenarten also offensichtlich auf die gleichen Gene in ihrem Erbgut zurück. Es muss demnach sogenannte „Hot Spots“ für die Phänotyp-Entwicklung geben, deren wiederholte Mutation das gleiche Erscheinungsbild hervorbringt.

Im Blumenbeet mögen langstielige Pflanzen eine Pracht sein. Auf einem Getreidefeld gefährden lange Halme dagegen den Ertrag. Zu schnell knicken hochgewachsene Reis- oder Gerstensorten unter der Last ihrer schweren Rispen oder Ähren um. Während der grünen Revolution in den 1960er Jahren entstanden Hochertragssorten mit halber Wuchshöhe für den Ackerbau in den Entwicklungsländern. Viele Reis- und Gerstensorten verdanken ihre kürzere Statur einem Mangel an Gibberellin. Dieses Pflanzenhormon fördert neben dem Längenwachstum auch die Samenkeimung und die Entwicklung der Blüten. Die genetischen Veränderungen in den halbhohen Reis- und Gerstesorten der grünen Revolution unterbinden den letzten Schritt der Gibberellin-Biosynthese. Das mutierte Gen trägt den kryptischen Namen GA20ox1.

Maarten Koornneef und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben nun untersucht, ob Arabidopsis-Pflanzen, die in der freien Natur nur halb so groß werden wie ihre Artgenossen, auch ein mutiertes GA20ox1-Allel haben wie die kurzen Reis- und Gerstensorten der grünen Revolution. „Wir wollten wissen, ob bei der natürlichen Selektion im Freiland und der artifiziellen Selektion in der Pflanzenzüchtung für den gleichen Phänotyp die gleichen genetischen Lösungen gefunden werden“, erklärt Koornneef.

Arabidopsis ist hierzulande auch unter dem Namen Ackerschmalwand bekannt und kommt nur auf der Nordhalbkugel vor. Die Kölner Forscher haben zusammen mit ihren ausländischen Kollegen an 23 Standorten in Europa, Asien und Japan nach Exemplaren mit halber Wuchshöhe gesucht und 97 Exemplare gefunden. Sie haben dann durch Kreuzungsexperimente gezeigt, dass dieses Merkmal bei den meisten der gesammelten Pflanzen auf eine Veränderung im GA20ox1-Gen zurückgeht. Bei Arabidopsis ist dieses Gen besonders interessant, weil Mutationen lediglich die Wuchshöhe halbieren und keine weiteren negativen Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Pflanze haben, obwohl Gibberellin ein wichtiges Pflanzenhormon ist. „Der Grund dafür ist“, so Koornneef, „dass Arabidopsis noch weitere Gene für die Gibberellin-Biosynthese besitzt. Diese Gene springen ein, wenn GA20ox1 ausfällt. Sie können offensichtlich alle Auswirkungen des Verlustes kompensieren, nur die Halbierung der Wuchshöhe nicht.“

Mit welchen Veränderungen setzt nun Arabidopsis im Freiland das GA20ox1-Gen außer Kraft? Koornneef und seine Kollegen haben sechs verschiedene genetische Lösungen für die halbierte Wuchshöhe identifiziert. Dazu gehören Mutationen, die das Pflanzenhormon nicht mehr in der korrekten Größe entstehen lassen, Mutationen die einzelne, besonders wichtige Aminosäuren gegen unbrauchbare austauschen sowie Mutationen, die das ordnungsgemäße Zurechtschneiden der Botenribonukleinsäure vor der Proteinbiosynthese verhindern. Die Wissenschaftler haben zudem Mutationen gefunden, die das Leseraster des GA20ox1-Gens ändern, die Teile des Gens entfernen und die die Gen-Sequenz durch den Einbau einer fremden DNA – eines sogenannten Transposons – verlängern.

Koornneef und seine Kollegen konnten des Weiteren zeigen, dass Arabidopsis in der Natur nur selten seine Wuchshöhe halbiert. Sie beziffern die Häufigkeit dieses Merkmals mit Werten zwischen einem und fünf Prozent. „Wenn die Häufigkeit in dieser Weise schwankt, kann es nicht nur einen Faktor geben, der zur Entstehung dieses Phänotyps führt“, sagt Koornneef. „Einer dieser Faktoren ist sicher das Klima.“ Weil das Merkmal so selten ist und weil Arabidopsis mindestens sechs verschiedene Arten der Mutation für die halbierte Wuchshöhe verwendet, konnten diese Veränderungen nicht über klassische Assoziationsstudien gefunden werden.

Koornneefs Untersuchungen belegen auch, dass die halbe Wuchshöhe an jedem Standort neu entstanden ist. „Die Arabidopsis-Pflanzen mit halber Wuchshöhe hatten immer einen anderen genetischen Hintergrund“, erklärt der Genetiker. „Und zwar den, den auch die anderen Arabidopsis-Pflanzen am Fundort hatten. Das bedeutet, dass sich die an einem Standort aufgetretene Mutation nicht weiter ausbreitet.“ Das Merkmal scheint an den Standorten auch nicht weiterentwickelt zu werden. Die DNA-Sequenz zeigt, dass einige Pflanzen versucht haben, die halbe Wuchshöhe wieder loszuwerden. Andere Pflanzen haben das Merkmal selektiert, weil es ihnen offensichtlich Vorteile bringt. Das GA20ox1 Gen ist also einer dieser „Hot Spots“ im Genom der Pflanzen, die immer wieder mutiert werden, wenn ein gewisser Phänotyp auftritt.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Maarten Koornneef
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln
Telefon: +49 221 5062-410
Fax: +49 221 5062-413
E-Mail: koornneef@­mpipz.mpg.de
Originalpublikation
Luis Barboza et al.
Arabidopsis semidwarfs evolved from independent mutations in GA20ox1, ortholog to green revolution dwarf alleles in rice and barley

PNAS (doi/10.1073/pnas 1314979110)