Die Genome gepfropfter Pflanzen können miteinander kommunizieren

Die Genome gepfropfter Pflanzen können miteinander kommunizieren

Salk-Wissenschaftler finden heraus, dass winzige Moleküle die Gen-Stummschaltung in gepfropften Trieben vorantreiben

LA JOLLA – Die landwirtschaftliche Veredelung reicht fast 3,000 Jahre zurück. Durch Versuch und Irrtum erkannten Menschen vom alten China bis zum antiken Griechenland, dass die Verbindung eines abgeschnittenen Zweigs einer Pflanze mit dem Stiel einer anderen die Qualität der Ernte verbessern konnte.

Jetzt haben Forscher des Salk Institute und der Universität Cambridge diese alte Praxis in Kombination mit moderner Genforschung genutzt, um zu zeigen, dass veredelte Pflanzen epigenetische Merkmale teilen können, heißt es in einem neuen Artikel, der in der Woche vom 18. Januar 2016 in veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Veredelungen kommen in der kommerziellen Welt häufig vor, und dennoch sind wir uns der Folgen für die beiden Pflanzen noch nicht ganz im Klaren“, sagt er Josef Ecker, einer der leitenden Autoren des Artikels und Direktor des Genomic Analysis Laboratory von Salk. „Unsere Studie hat gezeigt, dass genetische Informationen tatsächlich von einer Pflanze zur anderen fließen. Das ist für mich die Überraschung.“

Diese zwischen Pflanzen geteilten genetischen Informationen sind keine DNA – die beiden veredelten Pflanzen behalten ihr ursprüngliches Genom –, aber epigenetische Informationen werden innerhalb der Pflanze kommuniziert.

In der Epigenetik wirken chemische Marker auf vorhandene Gene in der DNA einer Pflanze oder eines Tieres, um Gene ein- oder auszuschalten. Die Epigenetik kann bestimmen, ob eine Zelle zu einer Muskelzelle oder einer Hautzelle wird und wie eine Pflanze auf verschiedene Böden, Klimazonen und Krankheiten reagiert.

„In Zukunft könnte diese Forschung es Landwirten ermöglichen, epigenetische Informationen zu nutzen, um Ernten und Erträge zu verbessern“, sagt Mathew Lewsey, einer der Erstautoren des Papiers und wissenschaftlicher Mitarbeiter von Salk.

Um den Fluss epigenetischer Informationen zu verfolgen, konzentrierten sich die Teams von Salk und Cambridge auf winzige Moleküle, sogenannte kleine RNAs oder sRNAs. Es gibt verschiedene Arten epigenetischer Prozesse, aber sRNAs tragen zu einem Gen-Stilllegungsprozess namens DNA-Methylierung bei. Bei der DNA-Methylierung binden molekulare Marker an der Oberseite der DNA und verhindern so, dass die Zellmaschinerie die Gene unter den molekularen Markern liest oder exprimiert.

Frühere Studien der Cambridge-Mitglieder dieser Forschungsgruppe haben gezeigt, dass sich sRNAs über gepfropfte Pflanzen von den Trieben bis zu den Wurzeln bewegen können. Deshalb entwarfen die Forscher ein Pfropfexperiment mit drei Variationen der Pflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand). Bei zwei Sorten handelte es sich um Wildtyp-Ackerschmalwand, während es sich bei der dritten Sorte um eine Mutante handelte, die so gezüchtet wurde, dass ihnen jegliche sRNAs fehlten.

Nach jeder Transplantation analysierten die Forscher Spross- und Wurzelgewebe, um nach Veränderungen in der DNA-Methylierung entlang der verschiedenen Genomen der Pflanzen zu suchen. Sie bestätigten auch, ob die sRNAs von den Wildtyp-Pflanzen in die Mutantensorte übergingen, der die sRNAs fehlten.

„Dieser Aufbau ermöglichte es uns, etwas ganz Einzigartiges zu beobachten: Sie übertrugen tatsächlich das epigenetische Äquivalent von Allelen, sogenannte Epiallele“, sagt Lewsey.

Ein Allel ist ein Gen, das innerhalb einer Art gemeinsam ist, aber von Individuum zu Individuum unterschiedlich sein kann, wie zum Beispiel das Allel für die Entwicklung der Huntington-Krankheit. In diesem Fall suchten die Forscher nach Stellen entlang des Epigenoms der Pflanzen, bei denen es sich um durch den epigenetischen Prozess veränderte Allele handelte. Mit anderen Worten: Epiallele.

„Da sich die beiden Wildtyp-Pflanzen in ihrer Epigenetik entlang ihres Genoms unterschieden, konnten wir beobachten, wie das Aufpfropfen eines Sprosses auf Wurzeln tatsächlich Epiallele von einer Pflanze auf eine andere übertragen kann“, sagt Lewsey.

David Baulcombe, ein leitender Autor des Artikels, räumt ein, dass die neuen Erkenntnisse nicht völlig unerwartet waren. Frühere Arbeiten in kleinerem Maßstab hatten darauf hingewiesen, dass sRNAs sich bewegen und epigenetische Veränderungen im Empfängergewebe vermitteln können.

„Was jedoch unerwartet war, war das Ausmaß der Veränderungen aufgrund der mobilen RNA“, sagt Baulcombe von der Abteilung für Pflanzenwissenschaften der Universität University of Cambridge.

Tausende Stellen entlang des Genoms der Ackerschmalwand wurden durch sRNAs zum Schweigen gebracht. Durch die Untersuchung der Lage dieser Epiallele könnten die Forscher Hinweise auf ihren Zweck finden. Bei den im Experiment beobachteten Epiallelen handelte es sich häufig um Bereiche des Genoms, die als transponierbare Elemente oder Transposons bezeichnet wurden.

Transposons sind Teil der sogenannten dunklen DNA, also des großen Teils eines Genoms, der keine Gene kodiert. Ursprünglich als „springende Gene“ bezeichnet, können sich Transposons im Genom von oben nach unten bewegen, um die Expression benachbarter Gene zu beeinflussen. Viele der Transposonen, auf die die sRNAs im Experiment abzielten, befanden sich sehr nahe an aktiven Genen.

Trotz dieser Stummschaltung der Transposons gab es nur kleine Veränderungen in der Genexpression zwischen den Wildtyp-Pflanzen und der mutierten Pflanze, der sRNAs fehlten.

„Wir glauben, dass dies an der kompakten Beschaffenheit des Geräts liegt A. thaliana Genom“, sagt Lewsey. „Es ist wahrscheinlich, dass der Wechsel zu einer Art mit einem größeren Genom und aktiveren Transposons einen größeren Unterschied zeigen wird.“

Dank neuer Tools zur Genbearbeitung wird es möglich sein, ähnliche Pfropfexperimente mit den komplizierteren Genomen beliebter Nutzpflanzen durchzuführen.

„Bei anderen Pflanzen mit komplexeren Genomen werden diese Effekte um das Hundertfache verstärkt“, sagt Ecker, der auch Forscher am Howard Hughes Medical Institute und bei der Gordon and Betty Moore Foundation ist.

Baulcombe stimmt zu, dass die epigenetischen Effekte der mobilen RNA bei Nutzpflanzen wahrscheinlich viel größer sind als bei den in der vorliegenden Arbeit verwendeten Modellarten. Die beiden Forschungsgruppen planen nun eine erweiterte Zusammenarbeit, um diese Effekte bei Tomaten und anderen Nutzpflanzen zu untersuchen.

„Es gibt bereits tausende andere epigenetische Unterschiede zwischen den Wurzeln und den Trieben einer einzelnen Pflanze – und auch zwei veredelte Pflanzen sind genetisch unterschiedlich“, sagt Ecker. „Die Schaffung dieses Epiallelunterschieds in den Wurzeln ist also etwas wirklich Neues für die Pflanze.“

Lewsey und Thomas J. Hardcastle von der University of Cambridge haben gleichermaßen zu der Arbeit beigetragen. Weitere Autoren der Arbeit waren Charles Melnyk und Attila Molnar von der University of Cambridge; und Adrián Valli, Mark A. Urich und Joseph R. Nery vom Salk Institute.

Die Finanzierung der Arbeit erfolgte durch das Marie Curie International Outgoing Fellowship der EU Gordon und Betty Moore Foundation, der National Science Foundation, das Clare College Junior Research Fellowship, das Gatsby gemeinnützige Stiftung, der European Union Collaborative Project Grant ANEAS und a Advanced Investigator Grant des Europäischen Forschungsrats.