Gentransfer – Über Artgrenzen hinweg

Im Obst- und Weinanbau werden Pflanzen gepfropft, um eine hohe Qualität des Ertrags, eine verbesserte Schädlingsresistenz oder eine stabilere Wuchsform zu gewährleisten. Diese traditionelle Züchtungsmethode hat, wie Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam zeigen konnten, überraschende Auswirkungen auf den Genbestand dieser Pflanzen. Sandra Stegemann und Ralph Bock konnten erstmals nachweisen, dass zwischen den Zellen funktionsfähige Gene ausgetauscht werden können. Dies wirft allgemein ein neues Licht auf den Austausch von genetischem Material zwischen Pflanzen. (Science, 1. Mai 2009)

Tauschen Lebewesen genetische Information außerhalb der geschlechtlichen Fortpflanzung aus, sprechen Wissenschaftler von horizontalem Gentransfer. Solche Übertragungen von Genmaterial konnten nun erstmals bei höheren Pflanzen direkt nachgewiesen werden. In den Versuchen mit genetisch markierten Tabakpflanzen vermischte sich in den Zellen um die Pfropfungsstelle die genetische Information der Pfropfungspartner. Dies ist insofern überraschend, als dass man bisher davon ausging, dass die Pflanzen zwar verwachsen, ihren Genbestand aber separat erhalten. Diese Annahme wurde nun widerlegt, da zumindest Teile der Erbinformation in den Chloroplasten, den Bestandteilen der Pflanzenzelle, die unter anderem für die Photosynthese zuständig sind, zwischen den Zellen an der Pfropfungsstelle ausgetauscht werden können.

Pflanzen enthalten, wie alle Lebewesen, in ihren Zellen Gene, die Merkmale der Zellen und des ganzen Organismus bestimmen. Für den Versuch markierten deswegen die Wissenschaftler Tabakpflanzen entweder in ihrem Kern mit einem zusätzlichen Gen für die Widerstandsfähigkeit gegen ein Antibiotikum oder bauten ein Widerstandsfähigkeits-Gen gegen ein anderes Antibiotikum in die Chloroplasten ein. Beide Pflanzen wurden anschließend aufeinander gepfropft, wobei einmal die kernmarkierte und ein anderes Mal die chloroplastidär markierte Pflanze die Unterlage bildete. Die jeweils andere Pflanze diente als Pfropfreis, wurde also nach dem Entfernen des Sprossoberteils als neuer Spross aufgesetzt. Nachdem die beiden Pflanzen zusammen gewachsen waren, wurden aus der Pfropfungszone Querschnitte angefertigt, die auf Wachstumsmedium mit beiden Antibiotika gelegt wurden. Das Wachstumsmedium ist in der Lage, pflanzliche Zellen wieder zu neuen Pflanzen aufwachsen zu lassen. Die Antibiotika verhindern dies, da sie die pflanzlichen Zellen normalerweise abtöten.

Da im Pfropfversuch die Resistenzen in zwei getrennten Zellen vorliegen, war zu erwarten, dass immer ein Antibiotikum wirkt und daher alle Pflanzenzellen abgetötet werden. Doch überraschenderweise starben nicht alle Zellen ab. Aus 94 Zellen bei 74 getesteten Pfropfungen entwickelten sich neue Pflanzen, deren Zellen gegen beide Antibiotika resistent waren. Diese erstaunlich hohe Frequenz – mit mehr als einem Übertragungsvorgang pro Pfropfung – legt nahe, dass diese horizontale Genübertragung relativ regelmäßig stattfindet. Molekulare Analysen bestätigten darüber hinaus, dass sich die Gene für die neuen Eigenschaften tatsächlich in neuer Kombination in den Zellen befanden und nicht etwa nur ein resistenzvermittelnder Stoff übertragen wurde.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass wir unser Verständnis der klassischen Züchtungsmethoden immer wieder überdenken müssen, und sind erneut ein Hinweis für die Dynamik der genetischen Information und ihrer Evolutionsmechanismen. Die nächsten Schritte werden der Aufklärung der Übertragungsmechanismen der Gene sowie der Untersuchung des horizontalen Gentransfers zwischen unterschiedlichen Pflanzenarten dienen“, sagt Ralph Bock.

Originalveröffentlichung:

Sandra Stegemann, Ralph Bock
Exchange of Genetic Material between Cells in Plant Tissue Grafts
Science, 1. Mai 2009
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Ralph Bock
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam
Tel.: +49 331 567-8700
E-Mail: rbock@mpimp-golm.mpg.de
Ursula Ross-Stitt, Pressereferentin
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam
Tel.: +49 331 567-8310
E-Mail: Ross-Stitt@mpimp-golm.mpg.de