Hallesche Forscher finden uraltes genetisches Muster auch in heranwachsenden Pflanzen

Das evolutionsbiologische Sanduhr-Modell ist bei Pflanzen weiter verbreitet als bisher angenommen. Bisher war das evolutionäre Grundmuster nur für die Entwicklung von tierischen und pflanzlichen Embryos beschrieben worden. Ein internationales Forscherteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) hat jetzt erstmals gezeigt, dass die Genaktivität von Pflanzen nicht nur während der Entwicklung von Embryos, sondern auch in weiteren Entwicklungsphasen nach demselben Prinzip gesteuert wird. Die Ergebnisse wurden als Titelgeschichte im international renommierten Fachjournal „Molecular Biology and Evolution“ veröffentlicht.

Das Sanduhr-Modell gilt als eines der historischen und immer noch unverstandenen Phänomene in der Evolutions- und Entwicklungsbiologie. Es beschreibt die genetische Aktivität während der Entwicklung eines Embryos: Zunächst sind je nach Spezies viele evolutionär junge Gene aktiv. „Es gibt dann in der Mitte der Embryoentwicklung eine Phase, in der dann evolutionär sehr alte Gene dominieren – egal bei welcher Spezies“, sagt Prof. Dr. Marcel Quint, der kürzlich vom IPB an das Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der MLU gewechselt ist. Danach sind wiederum je nach Art sehr unterschiedliche und deutlich jüngere Gene aktiv. Lange Zeit war dieses genetische Muster nur für Tiere bekannt. Marcel Quint und der hallesche Bio-Informatiker Prof. Dr. Ivo Große sorgten 2012 mit einer Studie international für großes Aufsehen, in der sie die Genaktivität in pflanzlichen Embryos erforschten. Gemeinsam mit den beiden Nachwuchswissenschaftlern Hajk-Georg Drost und Alexander Gabel zeigten sie, dass das Sanduhr-Prinzip auch für Pflanzen gilt.

Warum sich Pflanzen und Tiere an diesem evolutionären Grundmuster orientieren, ist noch nicht geklärt. „Im Tierbereich gibt es die Vermutung, dass das Modell in Bezug zur Bildung von Organen steht“, sagt Prof. Dr. Ivo Große. Während der Entwicklung eines tierischen Embryos bilden sich bereits alle lebensnotwendigen Organe. Dabei handelt es sich um einen sehr komplexen und stark vernetzten Vorgang: „Kommt es bei der Bildung von Organen zum Beispiel durch genetische Mutationen zu Fehlern, hat das auch Folgen für die anderen Organe. Für den Organismus endet das meist tödlich“, so Große weiter. Deshalb, so die Überlegung der Wissenschaftler, die das Modell an Tieren erforschen, seien in dieser Phase immer die gleichen, stark konservierten und sehr alten Gene aktiv – Abweichungen werden nicht toleriert. Diese Überlegung sei aber nicht direkt auf Pflanzen übertragbar: „Pflanzenembryos sind wesentlich einfacher aufgebaut“, sagt Marcel Quint. Im Gegensatz zu Tieren entwickeln sich pflanzliche Organe, wie Blätter oder Blüten, erst nach der Keimung, also der „Geburt“, des reifen Embryos.

Die Wissenschaftler aus Deutschland, Irland und den Niederlanden wollten deshalb herausfinden, ob sich das genetische Aktivitätsmuster auch in anderen Entwicklungsphasen von Pflanzen nachweisen lässt. Dafür untersuchten sie verschiedene Phasen der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana): die Keimphase, die Übergangsphase zur Geschlechtsreife und die Blütenbildung. Nur bei der letzten Phase bilden Pflanzen neue Organe aus. „Wenn die Theorie zur Organbildung stimmt, dürfte sich das Sanduhr-Modell auf genetischer Ebene nur während der Blütenbildung zeigen“, erklärt Quint weiter.
Das Team bestimmte zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb der drei Entwicklungsphasen der Pflanze, welche Gene zu welchem Zeitpunkt aktiv sind. Im Anschluss ermittelte die Gruppe das evolutionäre Alter der jeweils aktiven Gene. Das Ergebnis: Während der Keimphase und während des Übergangs zur Geschlechtsreife sind vor allem evolutionär sehr alte Gene aktiv. Bilden sich bei Pflanzen Blüten, sind auch junge Gene aktiv. „Wir konnten das gleiche Muster also genau in den Phasen nachweisen, in denen sich in Pflanzen keine Organe bilden. Wenn Pflanzen Organe ausbilden, lässt sich das Muster aber nicht beobachten“, fasst Quint zusammen. Die Forscher kommen deshalb zu dem Schluss, dass das Prinzip zumindest bei Pflanzen nicht in Zusammenhang zur Entwicklung von Organen steht. Ob das auch für Tiere gelte, könne man aber noch nicht sagen: „Es wäre möglich, dass das Sanduhr-Prinzip in Tieren und Pflanzen unterschiedliche Funktionen hat. Schließlich hat es sich in beiden Gruppen unabhängig voneinander entwickelt. Dafür müssen aber zunächst ähnliche Versuche in Tieren durchgeführt werden“, so Quint. Er vermutet jedoch, dass eher die seit vielen Jahren anerkannte Vernetzungshypothese nicht zutreffend ist und es sich bei dem Sanduhr-Modell um ein fundamentaleres Muster handelt, das unabhängig von der Organbildung immer in Übergangsphasen der Entwicklung auftritt. Das Prinzip könne also noch in sehr vielen weiteren Prozessen zu finden sein.