Nutzung epigenetischer Variationen für die Pflanzenzüchtung

Epigenetische Veränderungen können neue Eigenschaften hervorbringen, ohne die Sequenz der Gene zu verändern. Dies kann es den Pflanzen ermöglichen, schneller auf Veränderungen in ihrer Umgebung zu reagieren. Pflanzenbiologen der Universität Zürich haben nun nachgewiesen, dass auch epigenetische Variationen selektiert und vererbbar sind. Dies könnte die Möglichkeiten der Pflanzenzüchtung erweitern.

Die Sequenz der Gene, die an Tochterzellen oder Nachkommen weitergegeben werden, ist nicht der einzige Faktor, der die Eigenschaften von Zellen und Organismen bestimmt. Chemische Veränderungen im Erbgut, die die zugrunde liegende DNA-Sequenz nicht verändern, spielen auch eine Rolle bei der Kontrolle, welche Gene aktiv oder inaktiv sind. Die Methylierung ist eine solche epigenetische Markierung, bei der kleine chemische Gruppen zu spezifischen Basen in der DNA hinzugefügt werden. Die Rolle der Vererbung epigenetischer Variationen bei Mensch und Säugetier ist umstritten; es gibt jedoch mehrere Beispiele für epigenetische Vererbung bei Pflanzen.

Anpassungsfähigkeit durch Epigenetik

Pflanzenbiologen der Universität Zürich haben nun nachgewiesen, dass die natürlich vorkommende epigenetische Variation der Maus-Ohrkresse (Arabidopsis thaliana) selektiert wird. Das Team von Ueli Grossniklaus am Lehrstuhl für Pflanzen- und Mikrobiologie zeigte auch, dass neu ausgewählte Merkmale – die für die Saatgutverteilung wichtig sind – für mindestens zwei bis drei Generationen auch ohne Selektion weitergegeben werden. „Die epigenetische Variation trägt somit dazu bei, dass sich die Pflanzen schnell an Veränderungen in der Umwelt anpassen können, ohne dass sich die Sequenz im Genom ändert“, erklärt Grossniklaus.

Auswahl von Pflanzen mit effektiver Saatgutverteilung

In ihrem Experiment simulierten die Pflanzenbiologen eine sich schnell verändernde Umgebung. Sie wählten die Arabidopsis-Populationen über fünf Generationen aus, je nachdem, wie weit sie ihre Samen verteilt hatten. Für die nachfolgende Generation wurden nur Samen verwendet, die sich an Orten in einem bestimmten Abstand von der Mutterpflanze ausbreiten. Die Forscher nahmen dann die Samen von drei unabhängigen Populationen mit effektiver Saatgutverteilung und züchteten sie zusammen mit Samen der ursprünglichen, nicht ausgewählten Population – diesmal jedoch in einer Umgebung ohne Selektionsdruck. Nach weiteren zwei Generationen wurden die Pflanzenpopulationen eingehend untersucht.

Analyse der genetischen Aktivität, des Genoms und des Epigenoms

„Wir konnten zeigen, dass sich in den ausgewählten Pflanzen zwei Merkmale, die für die Saatgutverteilung wichtig sind, von der ursprünglichen Population unterscheiden. Die Pflanzen blühten später und hatten eine höhere Anzahl von Zweigen“, sagt Großniklaus. Diese Veränderungen konnten nicht auf Mutationen im Genom der Pflanzen zurückgeführt werden. Allerdings fanden die Forscher signifikante Unterschiede im Epigenom: Der Zustand der Methylierung wurde bei etwa 50.000 Basen in der DNA verändert. Unterschiede wurden auch in der Aktivität von Genen festgestellt, die z.B. die Blüte steuern.

Neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung

Auch unter normalen Umweltbedingungen ohne Selektion wurden die neuen Eigenschaften über mindestens zwei bis drei Generationen beibehalten. „Wie die genetische Variation unterliegt auch die epigenetische Variation der Selektion und trägt zur Vielfalt der Pflanzeneigenschaften bei. Da die genetische Basis von Pflanzen oft sehr begrenzt ist, könnte man mit Hilfe der Epigenetik das Material für die Pflanzenzüchtung erweitern“, betont Großniklaus. Der Klimawandel dürfte die Umweltbedingungen in vielen Regionen der Welt in kurzer Zeit verändern. Pflanzenarten, die sich schnell an Veränderungen anpassen können, werden daher immer wichtiger.

Mehr Informationen:
Marc W. Schmid et al. Beitrag der epigenetischen Variation zur Adaptation bei Arabidopsis, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06932-5

Teilen Ist Liebe! ❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares