Darwin hätte seine Freude gehabt an dieser Pflanze

11. April 2016, 10:16
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Die Ackerschmalwand ist der Superstar der Pflanzengenetik und dient oft als Modellorganismus: Ihr Erbgut ist äußerst schlank, sie vermehrt sich rasch und ist eine Meisterin der Anpassung.

Wien – Sie fällt nicht auf und hat dennoch große Teile der Welt erobert. Man findet ihresgleichen in China ebenso wie in Nordafrika, Skandinavien und Österreich. Kleine weiße Blüten, schlichte grüne Blattrosetten: Die Ackerschmalwand wird auch die meisten Florafans nicht entzücken. Doch in der Forschungsszene ist das unscheinbare Gewächs eine echte Berühmtheit. Die auf den botanischen Namen Arabidopsis thaliana getaufte, einjährige Pflanze dient vielen Wissenschaftern als Modellorganismus – so wie Labormäuse oder die Taufliege Drosophila melanogaster.

Aus biologischer Sicht gilt die Ackerschmalwand als Musterbeispiel der Effizienz. Ihr Erbgut ist stark reduziert und umfasst nur fünf Chromosomenpaare. Bei der Reproduktion läuft sie dennoch zur Hochform auf. Unter optimalen Umständen kann die Art ihren gesamten Lebenszyklus in nur sechs Wochen vollenden. "Arabidopsis thaliana vermehrt sich sehr schnell", sagt Magnus Nordborg, wissenschaftlicher Direktor am Gregor-Mendel-Institut (GMI) der Akademie der Wissenschaften in Wien. Ein einziger Samen reiche aus, um eine Population von tausenden Exemplaren zu begründen – in wenigen Monaten, versteht sich. Kein Wunder also, dass die Ackerschmalwand eine ideale Kolonistin ist.

Bemerkenswerte Flexibilität

Wer allerdings neue Lebensräume besiedelt, muss anpassungsfähig sein, und hier tut sich Arabidopsis thaliana ebenfalls hervor. Die Pflanzen gedeihen nicht nur auf fruchtbarem Humus, sondern auch auf kargen Sandböden. Für Letztere scheinen sie sogar eine gewisse Vorliebe zu haben. Mitunter findet man die Gewächse auch in typischem Magerrasen. Ähnlich genügsam zeigt sich die Spezies in Bezug auf die klimatischen Bedingungen. Ob im nasskalten norwegischen Küstenwetter oder unter der glühenden Sonne Mallorcas: Die Ackerschmalwand kommt zurecht. Doch was steckt hinter dieser bemerkenswerten Flexibilität?

Das Wesentliche ist erwartungsgemäß in den Genen festgeschrieben. Experten haben bereits diverse Sequenzen mit Einfluss auf das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen entdeckt. Solche Codes sind allerdings nicht gleichbleibend. Sie zeigen je nach Population zahlreiche Unterschiede. Die Varianz ist in erster Linie das Ergebnis zufälliger Mutationen – die auch von Vorteil sein können. Modifizierte oder gar neue Gene entstehen, mit neuen Eigenschaften.

Ein interessantes Beispiel ist das Gen VIN3, dessen Produkt die Aktivität eines anderen Gens, FLC, blockiert. Das VIN3-Protein bewirkt eine epigenetische Hemmung von FLC und löst so eine Verzögerung der Blüte aus. Diese erfolgt dadurch erst nach dem Auftreten einer Kälteperiode. VIN3 kommt nur im Erbgut mancher Ackerschmalwandpopulationen vor, unter anderem aus Nordschweden. Ihre Trägerinnen keimen zwar schon im kurzen arktischen Sommer, blühen aber erst im nächsten Frühling nach dem Überwintern, eine gute Strategie angesichts eines harschen Klimas.

Ähnliche Adaptionen zeigen sich auch in Bezug auf die Samenruhe und die Wachstumsgeschwindigkeit. Doch damit nicht genug. Einer europaweiten Studie zufolge sind diese beiden Eigenschaften und die Steuerung der Blütezeit bei regional unterschiedlichen Arabidopsis-thaliana-Stämmen unterschiedlich aneinander gekoppelt. Im Norden und in Höhenlagen keimen die Samen schneller, der erste Wachstumsschub ist ebenfalls beschleunigt. In südlichen Gefilden gibt es diesen Zusammenhang nicht. Die entsprechenden Unterschiede lassen sich deutlich im Erbgut der Pflanzen nachweisen. Fein justierte Anpassungen an die jeweiligen Lebensräume – die Evolution ist offenbar fleißig zugange.

Die Ackerschmalwand neigt sehr stark zu Selbstbestäubung, wie Nordborg erläutert. Für eine Pionierpflanze ist das überaus praktisch. Ihre Fortpflanzung kann dadurch unabhängig von der Präsenz von Artgenossinnen stattfinden. Die eingeschränkte genetische Rekombination leistet zudem einem weiteren Mechanismus Vorschub: der Interaktion zwischen Umwelt und Erbgut, unter Fachleuten als G×E-Effekt bekannt. Umweltfaktoren können ihre selektive Wirkung in einer Inzuchtpopulation viel stärker ausüben als in einem Bestand mit regelmäßigem Geneintrag von außen. Gepaart mit einer hohen Vermehrungsrate, ergibt sich ein kraftvoller Anpassungsantrieb.

Individuelle Effekte

Nützliche Mutationen können sich schneller durchsetzen, hinderliche verschwinden rasch wieder. Wie individuell der G×E-Effekt die Blüte verschiedener schwedischer Ackerschmalwandpopulationen beeinflusst, haben Nordborg und seine Kollegen im vergangenen Jahr aufgezeigt. Charles Darwin hätte an dem unscheinbaren Gewächs gewiss seine Freude gehabt.

Vielleicht ist auch das erstaunlich kleine Genom von Arabidopsis thaliana in diesem Licht zu sehen. Es scheint eine erhebliche Verringerung durchgemacht zu haben und schrumpft womöglich sogar noch weiter. Das Erbgut von Arabidopsis lyrata, der nächsten Verwandten der Ackerschmalwand, ist etwa doppelt so groß. Die Reduktion mag eine weitere Optimierung sein, meint Nordborg.

Ein wesentlicher Teil des Genoms vieler Pflanzenarten bestehe schließlich aus sogenannten Transposons, springenden Genen, die keine relevanten Codes tragen. "Transposons sind selbstsüchtige DNA", sagt der Forscher. Sie nisten sich unkontrolliert in den Erbgutsträngen ein. Solch unstete Elemente loszuwerden, könnte durchaus Selektionsvorteile bieten. (Kurt de Swaaf, 11.4.2016)

  • Die unscheinbare Ackerschmalwand ist gewissermaßen  die Labormaus unter den Pflanzen. Ihr Erbgut umfasst nur  fünf Chromosomenpaare und ist dennoch extrem wandlungsfähig.
    foto: envel kerdaffrec

    Die unscheinbare Ackerschmalwand ist gewissermaßen die Labormaus unter den Pflanzen. Ihr Erbgut umfasst nur fünf Chromosomenpaare und ist dennoch extrem wandlungsfähig.

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