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Entwicklung von Pflanzen

Gene mit Selbstbeherrschung schützen vor Evolutionsfehlern

| Redakteur: Christian Lüttmann

Evolution entsteht durch Mutation. Doch zu viel Mutation ist schädlich für das (Über)Leben. Bei Pflanzen hemmen daher bestimmte Gene gezielt ihre Aktivität, um „Nebenwirkungen“ einer Mutation zu minimieren und damit die Entstehung neuer Formen zu fördern. Dies haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung nun genau untersucht.

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Mikroskopie-Bild eines jungen Blattes des Behaarten Schaumkrauts mit entstehenden Nebenblättern (Zellumrisse: grau). Das hier rot dargestellte RCO-Protein ist an den Stellen aktiv, an denen neue Nebenblätter entstehen. Dort verringert es das Zellwachstum, sodass die Nebenblätter voneinander getrennt bleiben.
Mikroskopie-Bild eines jungen Blattes des Behaarten Schaumkrauts mit entstehenden Nebenblättern (Zellumrisse: grau). Das hier rot dargestellte RCO-Protein ist an den Stellen aktiv, an denen neue Nebenblätter entstehen. Dort verringert es das Zellwachstum, sodass die Nebenblätter voneinander getrennt bleiben.
(Bild: Neha Bhatia und Peter Huijser)

Köln – Für die Evolution sind Gene besonders wichtig, die die Entwicklung eines Lebewesens von der Eizelle bis zum ausgewachsenen Organismus steuern. Veränderungen dieser Gene führen bei Pflanzen und Tieren häufig zu einem neuen Erscheinungsbild. Da Entwicklungsgene jedoch meist mehrere Vorgänge beeinflussen, bergen Mutationen das Risiko von „Nebenwirkungen“.

Angenommen, ein Vogel entwickelt eine neue Flügelform, mit der er besser fliegen und dadurch besser überleben kann. Wenn die zugrundeliegende Mutation gleichzeitig auch die Farbe des Vogels verändert und ihn dadurch für Weibchen weniger attraktiv macht, würde die an sich vorteilhafte Veränderung der Flügelform sehr wahrscheinlich wieder verschwinden.

Tatsächlich gibt es in der Natur Mechanismen, die solche „Nebenwirkungen“ von Genveränderungen unterbinden, indem sie sich selbst hemmen. Auf diese Weise können letztlich leichter neue Formen entstehen. Ein internationales Team um Max-Planck-Direktor Miltos Tsiantis hat dies am Beispiel von Pflanzenblättern untersucht.

Die Forscher haben in ihrer Studie die Blattform des Behaarten Schaumkrauts analysiert. Dabei bauten sie auf ihren früheren Arbeiten auf, in denen sie ein Gen namens RCO gefunden haben. Das RCO-Gen bildet einen Transkriptionsfaktor – ein Protein, das andere Gene ein- oder ausschalten kann. Je nachdem, an welchen Stellen im sich entwickelnden Blatt RCO aktiv ist, entstehen andere Blattformen.

Zurückhaltung der Gene begünstigt neue Blattformen

Den Forschern zufolge steuert RCO nicht einfach nur durch seine Aktivität die Blattform – es kann sich auch selbst unterdrücken und sozusagen zurückhalten. Mit dieser Selbstunterdrückung blockiere es potenziell schädliche Einflüsse auf die Entwicklung und Funktion von Zellen.

Die Wissenschaftler identifizierten auch die von RCO betroffenen Gene und fanden heraus, dass viele von ihnen die lokalen Zytokinin-Spiegel beeinflussen. Das Pflanzenhormon Zytokinin fördert das Wachstum von Zellen und ist in Pflanzen weit verbreitet. Kontrolliert RCO seine eigene Aktivität nicht mehr ausreichend, wird zu viel Zytokinin gebildet und die Blattform dadurch negativ verändert. Die Selbsthemmung könnte demnach dazu führen, dass neuartige Blattformen entstehen können, ohne dass sie der Pflanze schaden, vermuten die Forscher.

Schwache Bindungen für mehr Kontrolle

Besonders interessant ist, dass sich RCO auf sehr unterschiedliche Weise selbst hemmen kann. Die Wissenschaftler haben entdeckt, dass die Selbsthemmung auf vielen schwachen Wechselwirkungen an schwachen Bindungsstellen beruht, die zwischen dem RCO-Protein und der regulatorischen DNA auftreten. „Solche Bindungsstellen können sich relativ schnell entwickeln und eröffnen so der Evolution einen einfachen Weg, die Aktivität eines Kontrollgens zu senken und dadurch viele andere Gene zu kontrollieren“, erklärt Tsiantis.

Die Ergebnisse zeigen, dass schwache Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren eine wichtige Rolle bei der Entstehung neuer Formen spielen können. Die schwachen Bindungsstellen dämpfen die Folgen von Veränderungen der RCO-Aktivität. So erlauben sie es, den Zytokinin-Spiegel zu regulieren und exakt einzustellen. Dies wiederum fördert das Auftreten komplexerer Blattformen wie Lappen oder Nebenblättern, wie die Forscher sagen.

Die Erkenntnisse zur Selbstregulation des Pflanzengens könnten auch für den Menschen relevant sein. Wahrscheinlich gibt es dort ähnliche Prinzipien: Bindungsstellen von Transkriptionsfaktoren, die anfälliger für bestimmte Erkrankungen machen oder die vor Erkrankungen schützen. Solche Varianten gilt es nun mithilfe der Erkenntnisse aus dem Pflanzenmodell zu identifizieren.

Originalpublikation: Mohsen Hajheidari, Yi Wang, Neha Bhatia, Francesco Vuolo, José Manuel Franco-Zorrilla, Michal Karady, Remco A. Mentink, Anhui Wu, Bello Rilwan Oluwatobi, Bruno Müller, Raffaele Dello Ioio, Stefan Laurent, Karin Ljung, Peter Huijser, Xiangchao Gan and Miltos Tsiantis: Autoregulation of RCO by low-affinity binding modulates cytokinin action and shapes leaf diversity, Current Biology; 21 November, 2019; DOI: 10.1016/j.cub.2019.10.040

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