Pflanzenzucht ganz ohne Genschere Epigenetik: Werden umgeschaltete Gene weitervererbt?

Die DNA ist sogar innerhalb einer Generation wandelbar: Epigenetische Veränderungen im Erbgut werden zum Beispiel durch Umwelteinflüsse hervorgerufen. Ohne die eigentliche Gensequenz zu verändern entstehen so neue Eigenschaften. Wie Züricher Forscher nun belegen konnten, ist epigenetische Variation sogar vererbbar – zumindest bei Pflanzen. Dies könnte die Möglichkeiten in der Pflanzenzucht erweitern.

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Zürich/Schweiz – „Sie hat die Augen von ihrem Vater, aber das Haar von ihrer Mutter.“ In solchen Sätzen steckt implizit die Erkenntnis, dass sich biologische Merkmale von Generation zu Generation vererben. Allerdings bestimmt nicht nur die Gensequenz, die an Tochterzellen bzw. Nachkommen vererbt wird, die Eigenschaften von Zellen und Organismen. Welche Gene aktiv sind oder nicht, steuern auch chemische Modifikationen des Erbmaterials, welche die DNA-Sequenz nicht verändern. Hierbei sprechen Biologen von Epigenetik. Ein Beispiel dieses Phänomens ist die Methylierung bestimmter DNA-Bausteine.

Ob epigenetische Veränderungen bei Menschen und Säugetieren an die Nachkommen vererbt werden, ist in Fachkreisen umstritten. Bei Pflanzen gibt es jedoch zahlreiche Beispiele dafür.

Anpassungsfähigkeit dank Epigenetik

Pflanzenwissenschaftlern der Universität Zürich ist nun der Nachweis gelungen, dass in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) natürlich vorkommende epigenetische Veränderungen durch Zucht selektioniert werden können. Zudem zeigt das Team von Ueli Grossniklaus vom Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie, dass neu selektierte Eigenschaften für mindestens zwei bis drei Generationen auch ohne Selektion stabil vererbt werden – wichtig für eine möglichst gute Samenverbreitung. „Epigenetische Variation trägt somit ohne Mutationen im Genom dazu bei, dass sich Pflanzen rasch an neue Umweltbedingungen anpassen können“, sagt Grossniklaus.

Simulierte Umweltänderungen im Experiment

Im Experiment simulierten die Pflanzenbiologen eine sich rasch ändernde Umwelt. Sie selektionierten Arabidopsis-Populationen über fünf Generationen dafür, dass sie ihre Samen möglichst weit streuen. Nur Samen, die in einer gewissen Distanz zur Mutterpflanze landeten, wurden für die nächste Generation verwendet. Samen dreier unabhängiger Populationen mit großer Samenverbreitung ließen die Forschenden anschließend zusammen mit Samen der ursprünglichen, nicht selektierten Population aufwachsen – dieses Mal in einer Umgebung ohne Selektionsdruck. Nach zwei weiteren Generationen wurden die Pflanzenpopulationen eingehend untersucht.

Geänderte Merkmale – gleiches Genom

„Wir konnten zeigen, dass bei den selektionierten Pflanzen zwei für die Samenverbreitung wichtige Merkmale anders waren im Vergleich zur ursprünglichen Population. Die Blütezeit setzte später ein und die Pflanzenarchitektur war verzweigter“, berichtet Grossniklaus. Auf Mutationen im Genom ließen sich die veränderten Eigenschaften jedoch nicht zurückführen. Stattdessen fanden die Wissenschaftler große Unterschiede im Epigenom: Von rund 50.000 DNA-Bausteinen war die Methylierung verändert. Unterschiede zeigten sich auch in der Aktivität von Genen, die etwa den Blütezeitpunkt steuern.

Neue Möglichkeiten für die Pflanzenzucht

Wie die Wissenschaftler herausfanden, wurden die durch epigenetische Veränderungen hervorgerufenen neuen Eigenschaften weitervererbt – und das selbst unter normalen Umweltbedingungen ohne Selektion und stabil über mindestens zwei bis drei Generationen. „Wie genetische ist auch epigenetische Variation selektionierbar und trägt zur Vielfalt an pflanzlichen Eigenschaften bei. Da die genetische Basis von Kulturpflanzen meist sehr limitiert ist, könnten mithilfe der Epigenetik die Möglichkeiten der Pflanzenzucht erweitert werden“, betont Grossniklaus. Der Klimawandel dürfte die Umweltbedingungen in vielen Regionen der Welt innerhalb kurzer Zeit verändern. Sorten, die sich rasch anpassen können, werden deshalb immer wichtiger.

Welche Auswirkungen die Epigenetik auf die Lebensspanne haben kann, lesen Sie hier:

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Lebensspanne – Diät verursacht epigenetische Veränderungen im Alter

Originalpublikation: Marc W. Schmid, Christian Heichinger, Diana Coman Schmid, Daniela Guthörl, Valeria Gagliardini, Rémy Bruggmann, Sirisha Aluri, Catharine Aquino, Bernhard Schmid, Lindsay A. Turnbull, and Ueli Grossniklaus: Contribution of epigenetic variation to adaptation in Arabidopsis. Nature Communications. Nature Communicationsvolume 9, Article number: 4446 (2018) ; DOI: 10.1038/s41467-018-06932-5

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