Gen-Austausch zwischen unterschiedlichen Arten festgestellt

Experimente mit Tabak zeigten: Pflanzen können an Kontaktflächen Chloroplasten oder deren Genome austauschen

Der in der Natur übliche Weg, Erbinformationen auszutauschen, verläuft über die Fortpflanzung; vom DNA-Transfer profitieren die Nachkommen. Ein direkter Austausch von Genen - ein sogenannter horizontaler Gentransfer - kommt dagegen vergleichsweise selten zustande. Genau das haben aber nun Wissenschafter bei Pflanzen beobachtet, die sogar unterschiedlichen Spezies angehören. Aufmerksam wurden die Forscher auf das Phänomen, als sie feststellten, dass Pflanzen, die im gleichen Verbreitungsgebiet wachsen, manchmal erstaunlich hohe Gemeinsamkeiten in der DNA ihrer grünen Chloroplasten zeigten.

Bisher glaubten die Wissenschafter, dass hin und wieder Kreuzungen zwischen verschiedenen Spezies auftreten und die Nachkommen neue Kombinationen von Chloroplasten- und Kerngenom tragen. "Chloroplastenfang" oder "chloroplast capture" tauften sie das Modell. Wissenschafter um Ralph Bock vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben nun herausgefunden, dass Pflanzen auch an Kontaktflächen Chloroplasten oder deren Genome austauschen können.

Künstliches Pfropfen

Viele hölzerne Pflanze, vor allem Obstbäume und Rosenstöcke, werden von Gärtnern absichtlich beschädigt. Ihnen werden Äste abgeschnitten oder Kerben in die Rinde geschlagen, um an diesen Stellen Teile einer anderen Pflanze einzusetzen. Die Pflanze, die mit den Wurzeln im Boden steckt, heißt Unterlage. Die andere, von welcher nur ein neuer Ast stammt, nennt man fachsprachlich Pfropfreis oder Edelreis. Der Zweck dieser gärtnerischen "Gräueltaten" liegt unter anderem darin, besonders ertragreiche Sorten zu vermehren ohne dass einem die Mendelschen Vererbungsregeln in die Quere kommen, nach denen immer nur ein Teil der Nachkommen die gleichen Eigenschaften aufweist wie die Eltern. Mit Hilfe eines einzigen Asts einer erfolgreichen Apfelsorte wird - auf eine neue Unterlage gepfropft - ein Klon des Baumes erzeugt. Solche Veredelungen werden aber nicht nur künstlich vom Menschen ausgelöst. Auch wenn Pflanzen sehr nah beieinander stehen, können sie an Kontaktflächen zusammenwachsen.

An eben diesen Kontaktflächen kann nun ein horizontaler Gentransfer (HGT), also eine Übertragung von Genen ohne geschlechtliche Fortpflanzung, stattfinden. Früher dachte man, dass HGT nur bei Prokaryoten, also Lebewesen ohne echten Zellkern, möglich sei. Von Bakterien beispielsweise war lange bekannt, dass sie überlebenswichtige Gene, wie zum Beispiel Antibiotikaresistenzen, über horizontalen Gentransfer an andere Bakterienstämme weitergeben können. Inzwischen weiß man, dass sich HGT keinesfalls nur auf Prokaryoten beschränkt.

Auch an Kontaktflächen verschiedener menschlicher Gewebe, wie beispielsweise nach einer Organtransplantation, oder eben bei zusammenwachsenden Pflanzen kann ein Austausch von Genen stattfinden. Bereits 2009 fanden Ralph Bock und Sandra Stegemann heraus, dass Erbinformation aus den grünen Chloroplasten per HGT von einer Pflanze auf eine andere übergehen kann. Ihre Erkenntnisse damals beschränkten sich jedoch auf die Übertragung von Genen innerhalb einer Art.

HGT zwischen unterschiedlichen Arten

In ihren neuen Experimenten pfropften sie die auf natürlichem Wege nicht kreuzbaren Tabakarten Nicotiana benthamiana, eine krautige Pflanzenart, und Nicotiana glauca, ein Baum, auf die Kulturart Nicotiana tabacum. Den beiden Wildarten N. benthamiana und N. glauca hatten sie vorher Gene für eine Resistenz gegen ein Antibiotikum sowie ein gelbfluoreszierendes Protein (YFP) in die DNA des Zellkerns eingebracht. Der Kulturtabak hingegen enthielt in seiner Chloroplasten-DNA eine andere Antibiotika-Resistenz und ein grünfluoreszierendes Protein (GFP). Nach dem erfolgreichen Verwachsen der Pflanzen schnitten sie die Pfropfungsstellen aus und kultivierten das Gewebe auf einem Wachstumsmedium, das beide Antibiotika enthielt.

Unter diesen harschen Bedingungen kann nur überleben, wer sich gegen beide Antibiotika zur Wehr setzen kann, also solche Zellen von N. benthamiana und N. glauca, die Plastiden von N. tabacum bzw. deren Erbinformation aufgenommen hatten. Tatsächlich wuchsen aus etwa der Hälfte der Schnittproben neue Pflänzchen heran und unter dem Mikroskop zeigte sich in den Zellen das charakteristische grüne und gelbe Leuchten der Markerproteine.

"Besonders interessant sind jedoch die Ergebnisse der DNA-Sequenzierung", sagt Sandra Stegemann, Erstautorin des Papers. "Das Chloroplastengenom von N. tabacum ist nämlich unverändert an die beiden anderen Tabaksorten weitergegeben worden." Bei den anderen Zellorganellen mit eigener DNA, den Mitochondrien, kommt es oft zu einer Vermischung des Erbguts von Donor und Rezipient. "Die neuen Chloroplasten jedoch hatten ihr eigenes Erbgut zu einhundert Prozent behalten und die alten vollständig aus den Pflanzenzellen verdrängt. Sie wurden sogar an die nächste Generation vererbt", führt Stegemann weiter aus.

Unbekannte Wege

Nun treibt die Wissenschafter die Frage um, auf welchem Wege die Chloroplasten ihre ursprüngliche Heimat verlassen und sich ein neues Zuhause suchen. Wandern sie durch die Plasmodesmata, diese schmalen Tunnel, die sich zwischen Pflanzenzellen ausbilden können? Oder löst sich gar punktuell die Zellwand auf und macht so den Weg frei? "Wir wissen bisher nicht, wie die Chloroplasten von einer Zelle in eine andere gelangen", so der Leiter der Arbeitsgruppe Ralph Bock. "Entscheidend ist aber, dass sie es tun und sich somit zum einen wichtige evolutionäre Prozesse erklären lassen und zum anderen neue Möglichkeiten für die Züchtung von Pflanzen ergeben." Auch die DNA von Chloroplasten trägt schließlich zur Fitness der Pflanze bei und kann ihr entscheidende Überlebensvorteile verschaffen. (red)