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Ungewöhnlicher Vererbungsmechanismus

Ego-Gene könnten Pilz-Schädling zum Verhängnis werden

| Autor / Redakteur: Christian Urban* / Christian Lüttmann

Konfokalmikroskopische Aufnahme von der Infektion einer Weizenpflanze: Der Pilz dringt in die Spaltöffnungen der Blätter ein und kann sich zwischen den Pflanzenzellen ausbreiten.
Konfokalmikroskopische Aufnahme von der Infektion einer Weizenpflanze: Der Pilz dringt in die Spaltöffnungen der Blätter ein und kann sich zwischen den Pflanzenzellen ausbreiten. (Bild: Dr. Janine Haueisen)

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Normalerweise verläuft die Vererbung von Genen fair: die eine Hälfte kommt von der Mutter, die andere vom Vater. Nun haben Forscher des Kiel Evolution Centers herausgefunden, dass dies bei einer bestimmten Pilzart nicht die ganze Wahrheit ist. Wieso die Weizen-befallenden Pilze dank der Erkenntnisse der Forscher bald kaum noch eine Bedrohung für die Getreideernte sein könnten, verrät dieser Beitrag.

Kiel – Weizen ist weltweit das am zweithäufigsten angebaute Getreide und in vielen Ländern unverzichtbarer Rohstoff für zahlreiche wesentliche Grundnahrungsmittel. Allein in Deutschland werden pro Jahr zwischen 20 bis 25 Millionen Tonnen des Getreides geerntet. In Nordwesteuropa ist der Weizenanbau allerdings mit einem bedrohlichen Schädling konfrontiert, der im Extremfall Ernteeinbußen von rund 50 Prozent verursachen kann. Die Bekämpfung des Pilzes Zymoseptoria tritici ist daher von elementarem Interesse für die Ernährungssicherheit und erfolgt bislang hauptsächlich auf konventionellem Weg durch den großflächigen Einsatz von Fungiziden - mit allen damit verbundenen Nachteilen für Umwelt und Verbraucher. Da der Pilz vermehrt unempfindlich gegen Pflanzenschutzmittel wird und es umgekehrt bislang keine vollständig gegen den Schädling resistenten Weizensorten gibt, forschen Wissenschaftler an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) an nachhaltigen Wegen, um den Pilz in Schach zu halten.

Das LABORPRAXIS-Pestizid-Dossier In unserem Dossier „Pestizide“ finden Sie Forschungsprojekte und -ergebnisse rund um das Thema Schädlingsbekämpfungsmittel.

Egoistische Chromosomen

An der CAU arbeitet insbesondere das Kiel Evolution Center (KEC) daran, evolutionsbiologische Prinzipien für die Schädlingsbekämpfung nutzbar zu machen. Einen wichtigen Schritt in diese Richtung hat nun ein KEC-Forschungsteam gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön (MPI-EB) gemacht, indem es die Grundlagen der Vererbung des schädlichen Pilzes und damit potenzielle Wege zu seiner Bekämpfung untersuchte. Die Forscher fanden heraus, dass die Reifeteilung (Meiose) der Keimzellen und die damit verbundene Vervielfältigung der Erbinformationen bei Zymoseptoria tritici anders abläuft als bisher gedacht.

Die Pilze weisen zusätzliche, ungepaarte Chromosomen auf, die genetische Informationen an all ihre Nachkommen und nicht nur einen Teil der Folgegenerationen weitergeben können. „Wir haben festgestellt, dass zwar den Chromosomen, nicht aber dem Pilz insgesamt ein evolutionärer Vorteil durch diese Art der Vererbung zugutekommt“, betont Dr. Michael Habig, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Umweltgenomik am Botanischen Institut der CAU. „Nur die Chromosomen selbst profitieren davon, ihre Merkmale an alle Nachkommen weiterzugeben und agieren also im übertragenen Sinne egoistisch“, ergänzt der Forscher.

Überzählige Chromosomen für alle Nachkommen

Im Mittelpunkt des neu beschriebenen Vererbungsprozesses steht die Meiose, die ein zentraler Schritt der geschlechtlichen Fortpflanzung ist und bei diesen Pilzen anscheinend grundlegend anders abläuft als bisher gedacht. Bei der normalen Mendelschen Vererbung dient die Meiose dazu, die unterschiedlichen mütterlichen und väterlichen Chromosomen in Form so genannter homologer Chromosomen zu kombinieren und auf die Nachkommen zu verteilen. Auf diese Weise vererben Mutter und Vater jeweils die Hälfte von genetischen Merkmalen an die Nachkommen.

Bei Zymoseptoria tritici scheint hingegen die Meiose völlig anders abzulaufen – insbesondere für die überzähligen Chromosomen des Pilzes, die sich nicht mit dem entsprechenden väterlichen oder mütterlichen Gegenstück kombinieren können. Diese ungepaarten Chromosomen werden also ausschließlich entweder von der Mutter oder dem Vater vererbt. Dabei konnten die Forschenden nachweisen, dass die mütterlichen überzähligen Chromosomen an alle Nachkommen weitergegeben werden – und nicht nur an die Hälfte, wie zu erwarten gewesen wäre. „Die treibende Kraft hinter dieser Strategie ist der so genannte meiotische Drive, der für die erhöhte Übertragung der Chromosomen in die Nachfolgegeneration sorgt“, sagt Professorin Eva Stukenbrock, Leiterin der gemeinsam an der CAU und dem MPI-EB angesiedelten Arbeitsgruppe Umweltgenomik und Vorstandsmitglied des KEC. „Diese alternative Art der Vererbung war bereits von anderen Organismen bekannt. Wir konnten sie nun bei Zymoseptoria tritici nachweisen und haben in seinen Erbinformationen besonders viele der daran beteiligten Chromosomen gefunden.“

Bei Mäusen gibt es eine andere Art von egoistischen Genen:

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Schwachstelle der Weizenschädlinge

Die Vererbung durch überzählige Chromosomen scheint für den Gesamtorganismus vor allem ein nachteiliger Prozess zu sein. Warum die Pilze dennoch im Laufe der Evolution über einen langen Zeitraum daran festgehalten haben, ist noch nicht vollständig untersucht. Einerseits hemmt sie die Pilze zwar in der Fähigkeit Weizen zu befallen, erhöht aber möglicherweise zugleich ihre Fähigkeit, sich an geänderte Umweltbedingungen anzupassen.

Die Kieler Forschenden sehen in der egoistischen Strategie der Chromosomen aber insbesondere das Potenzial, zukünftig neue Mittel zur Bekämpfung des schädlichen Pilzes zu finden. „Möglicherweise gelingt es uns, bestimmte genetische Informationen durch diese besondere Art der Vererbung in die Pilze zu bringen, die ihre Schädlichkeit für den Weizen nachhaltig reduzieren könnten“, gibt sich Habig optimistisch. „Dabei könnte man sich zunutze machen, dass sich alle Nachkommen zugleich mit den entsprechenden Erbinformationen ausstatten lassen“, ergänzt der Forscher. Die dafür nötigen Methoden, wie zum Beispiel Genome Editing, werden zurzeit weltweit erforscht. Das am KEC erforschte Prinzip könnte also in Zukunft dabei helfen, Weizenpflanzen dauerhaft vor dem Befall mit Zymoseptoria tritici zu schützen.

Originalpublikation: Michael Habig, Gert HJ Kema and Eva Holtgrewe Stukenbrock : Meiotic drive of female-inherited supernumerary chromosomes in a pathogenic fungus. eLife 2018, 7; DOI: 10.7554/eLife.40251.001

* C. Urban, Christian-Albrechts- Universität zu Kiel, 24118 Kiel

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