Genschalter ermöglicht Embryonenbildung ohne Befruchtung
Die Verschmelzung von Eizelle und Spermium gilt als grundlegender Startpunkt neuen Lebens. Dieser Mechanismus prägt die Fortpflanzung von Menschen, Tieren und auch Pflanzen. Ein deutsch-israelisches Forschungsteam hat nun einen genetischen Schalter identifiziert, der diesen Prozess umgehen kann. Im Moos Physcomitrella patens löst ein einzelnes Gen die Bildung von Embryonen aus – ganz ohne vorherige Befruchtung.
Die Entdeckung gelang einem Team um den Freiburger Pflanzenbiologen Prof. Dr. Ralf Reski. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Plants“ veröffentlicht. Moose gelten in der Forschung als besonders geeignete Modellorganismen, um grundlegende Prozesse der Pflanzenentwicklung zu untersuchen.
Moose besitzen, wie Menschen und Tiere auch, Eizellen und bewegliche Spermien. Deswegen eignen sie sich besonders gut, grundlegende Fragen der Biologie zu klären
Normalerweise wird nach der Verschmelzung von Eizelle und Spermium ein komplexes Netzwerk von Genen aktiviert. Dieses steuert die Entwicklung eines Embryos, aus dem schließlich ein neues Lebewesen entsteht. Lange war jedoch unklar, ob es innerhalb dieses Netzwerks einen zentralen Schalter gibt, der den gesamten Entwicklungsprozess auslöst.
BELL1 steuert die Embryonalentwicklung
Im Mittelpunkt der Studie steht das Gen BELL1. Die Forschenden konnten zeigen, dass dieses Gen im Moos als Masterregulator für die Embryonenbildung und deren weitere Entwicklung fungiert. Wird BELL1 in der Pflanze gezielt aktiviert, entstehen in einem bestimmten Zelltyp spontan Embryonen.
Aus diesen entwickeln sich vollständige Moos-Sporophyten mit Sporenkapseln. Diese können wiederum Sporen bilden, aus denen neue Moospflanzen hervorgehen. Damit gelang der Nachweis, dass ein einzelnes Gen ausreicht, um die komplette Embryonalentwicklung anzustoßen – auch ohne sexuelle Fortpflanzung.
Das von BELL1 kodierte Protein gehört zur Gruppe der sogenannten Homöobox-Transkriptionsfaktoren. Diese Proteine regulieren zentrale Entwicklungsprozesse in Organismen. Vergleichbare homöotische Gene sind auch bei Tieren und Menschen vorhanden, wo sie ebenfalls grundlegende Entwicklungsabläufe steuern.
Bedeutung für Evolution und Landwirtschaft
Ob ein nah verwandtes Gen auch beim Menschen eine zentrale Rolle in der Embryonalentwicklung spielt, ist bislang nicht geklärt. Die Forschenden sehen dennoch weitreichende Bedeutung für die biologische Grundlagenforschung und für angewandte Bereiche wie die Landwirtschaft und den Gartenbau.
Unsere Ergebnisse haben über Moose hinaus eine Bedeutung. Zum einen können sie erklären, wie die Entwicklung von Algen zu Landpflanzen erfolgte und so unsere heutigen Ökosysteme entstanden. Zum anderen können sie helfen, die Landwirtschaft zu modernisieren, indem genetisch gleiche Nachkommen von besonders ertragreichen Getreidepflanzen erzeugt werden.
In der Pflanzenforschung wird dieser Ansatz als Apomixis bezeichnet. Dabei entstehen Nachkommen ohne sexuelle Fortpflanzung, genetisch identisch zur Mutterpflanze. Für die Pflanzenzüchtung könnte dies ein bedeutender Fortschritt sein, da besonders leistungsfähige Sorten stabil und unverändert vermehrt werden könnten.
Physcomitrella als Modellorganismus der Biotechnologie
Die Freiburger Arbeitsgruppe zählt international zu den führenden Teams in der Moosforschung. Ihre Arbeiten haben maßgeblich dazu beigetragen, dass Physcomitrella patens heute weltweit als Modellorganismus in der Biologie und der Pflanzenbiotechnologie eingesetzt wird.
An der aktuellen Studie arbeiteten die Freiburger Wissenschaftler mit Prof. Dr. Nir Ohad und seinem Team von der Tel-Aviv-Universität zusammen. Unterstützt wurde das Projekt unter anderem von der Deutsch-Israelischen Stiftung GIF, dem Freiburger Exzellenzcluster BIOSS Centre for Biological Signalling Studies sowie dem Freiburg Institute for Advanced Studies.
Ralf Reski ist Inhaber der Professur für Pflanzenbiotechnologie an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Der Biologe ist Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS und war Senior Fellow am Freiburg Institute for Advanced Studies sowie am französischen Institut USIAS der Université de Strasbourg.