Wie sich Blumen vor schlechten Genen schützen Inzucht bei Pflanzen – und ihre Tricks dagegen

Für gesunde Nachkommen und genetische Vielfalt ist es wichtig, dass die Sexualpartner nicht zu nah verwandt miteinander sind. Bei Pflanzen ist das eine besondere Herausforderung – schließlich können sie sich nicht bewegen. Deshalb haben sie erstaunliche Tricks entwickelt, mit denen sie Inzucht vermeiden.

Klosterneuburg/Österreich – Im Schatten einer großen Pinie sitzt Nick Barton und wirft einen Blick auf das Tal, das sich vor ihm ausbreitet. Die märchenhafte Landschaft Kataloniens im nördlichen Spanien ist für die nächsten Wochen sein Arbeitsplatz. Denn Barton ist Biologe und Professor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und untersucht die Population der Löwenmäuler in dem Tal. Das sind bunte, hoch gewachsene Blumen, die ob ihrer Schönheit oft als Zierpflanzen verkauft werden.

Warum aber reisen der Wissenschaftler und sein Team so weit für ihre Forschung? „Die idyllische Gegend und die Ruhe in diesem Tal sind es nicht“, scherzt Barton, „denn Löwenmäuler wachsen hauptsächlich am Straßenrand. Das macht unsere Arbeit nicht nur unangenehmer, weil ständig Autos und Motorräder mit hoher Geschwindigkeit vorbeibrausen, sondern auch etwas gefährlicher.“ Seit zehn Jahren reist Barton nun schon mit Kollegen und Freiwilligen in das Gebiet, um die Populationen der Löwenmäulchen zu untersuchen und anhand ihres Erbguts deren Verwandtschaftsverhältnisse zu ermitteln. Denn einige der Pflanzen betreiben Inzucht.

Wenn die Nachbarn alle Verwandte sind…

In dem fünf Kilometer langen Tal, in dem Barton forscht, gibt es etwa 3.000 Löwenmäulchen. Die Pflanzen wachsen also relativ dicht beieinander. „Bei Pinien ist Inzucht kein großes Problem”, sagt Barton und wirft einen Blick auf die rissige Rinde des Baumes neben ihm, „denn große Pinienwälder setzen ihre Pollen frei und diese werden über weite Strecken verweht, bis sie andere Bäume befruchten. Löwenmäulchen hingegen wachsen dicht beieinander und werden von Hummeln bestäubt – oft nur in einem Umkreis von 50 Metern.“ Inzucht hat dabei bei Pflanzen die gleichen Auswirkungen wie beim Menschen: Durch die Zusammenführung defekter Gene kommt es zu einer so genannten Inzuchtdepression; das heißt die resultierende Pflanze ist schwächer und weniger gesund.

„Was uns überrascht hat war, dass Löwenmäulchen nicht so stark Inzucht betreiben, wie wir es aufgrund der geringen Anzahl der Pflanzen, die wir jedes Jahr wachsen sehen, erwartet hatten“, sagt der Biologe. „Pflanzen haben außergewöhnliche Mechanismen entwickelt, um Inzucht zu verhindern, was Inzuchtdepression vorbeugt und auch dazu beiträgt, die Vielfalt zu erhalten, die für die Anpassung an veränderte Umweltbedingungen unerlässlich ist.“

Pflanzen haben faszinierende Mechanismen gegen Inzucht entwickelt

Die Mechanismen gegen Inzucht bei Pflanzen sind wichtig, weil die meisten Blütenpflanzen männliche und weibliche Funktionen in sich vereinen. Die Pflanzen produzieren Eizellen, die von Pollen befruchtet werden und dann Samen hervorbringen, aus denen die nächste Generation entsteht. Damit sie sich aber nicht selbst befruchten, haben Pflanzen eine Reihe an Strategien entwickelt. So können die männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane einer Pflanze weit voneinander entfernt oder nur zu verschiedenen Zeiten aktiv sein; und manche Pflanzen sind rein männlich oder weiblich.

Am bemerkenswertesten ist aber sicherlich ein molekularer Mechanismus namens „S-Locus“, den die Löwenmäulchen ebenfalls nutzen. Ein hochgradig diverses Gen, das Pollen zerstört, die den gleichen Genotyp wie die Mutter aufweisen. „Wenn also der Pollen von der Pflanze selbst oder von einem nahen Verwandten stammt, kann die Pflanze nicht erfolgreich bestäubt werden. Das ist ein genialer Mechanismus“, findet der ISTA-Professor.

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Eine Barriere aus Zeit schützt den Gen-Pool des Löwenmäulchens

Um besser zu verstehen, wie der Inzucht-Schutz der Löwenmäulchen wirkt, haben Barton und sein Team in den vergangenen zehn Jahren mehr als 20.000 Pflanzen einzeln untersucht und Blätter gesammelt, um die DNA der gesamten Population zu sequenzieren. „So konnten wir die Eltern-Kind-Beziehungen zwischen den Pflanzen über die Jahre hinweg abschätzen und herausfinden, wie viele Nachkommen jede Pflanze gezeugt hat“, sagt der Biologe. „Letztlich sind es diese Unterschiede in der Reproduktionsleistung, die den Verlauf der Evolution bestimmen. Noch vor wenigen Jahren wäre es undenkbar gewesen, die DNA-Sequenz von so vielen Pflanzen zu finden.“

Bislang hat das Team mehr als 2.000 Trios identifiziert – Mutter, Vater und Kind sozusagen. Was die Biologen erstaunte, war, dass Pflanzen aus einem Jahr fast nie Eltern aus dem Vorjahr hatten – in den ersten Jahren des Projekts konnten sie überhaupt kaum Eltern finden. „Dann haben wir verstanden was passiert“, sagt Barton, „dass nämlich Samen, die auf den Boden fallen, normalerweise zwei oder drei Jahre lang ruhen, bis sie Nachkommen produzieren. In einem Gewächshaus passiert das nicht. Da sich die Samen also Zeit lassen, kommt es zu viel weniger Inzucht, weil die Verwandten nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich voneinander getrennt sind.“

Mit Erkenntnissen zur Inzucht-Vermeidung bei Pflanzen hofft Barton, neue Strategien zum Artenschutz zu entwickeln. „Zu verstehen, wie sich kleine Populationen trotz Inzucht an veränderte Bedingungen anpassen können, wird entscheidend sein, um herauszufinden, wie man Arten vor dem Aussterben bewahren kann.“

Originalpublikation: Parvathy Surendranadh, Louise Arathoon , Carina A. Baskett, David L. Field, Melinda Pickup and Nicholas H. Barton: Effects of fine-scale population structure on the distribution of heterozygosity in a long-term study of Antirrhinum majus, Genetics. DOI: 10.1093/genetics/iyac083

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