WIEN: Wenn sich Genome verschiedenen Ursprungs in einer Pflanze treffen, wird es genetisch kompliziert. Die Wiener Cytogenetiker um Hanna Schneeweiss sind Spezialisten für solche polyploiden Gewächse. Besonders angetan sind sie von der Chromosomenvielfalt amerikanischer Gänseblümchen.
In Pflanzengenomen geht es oft drunter und drüber. Man sieht es von außen meist nicht, aber spätestens beim Auszählen der Chromosomen stoßen Pflanzengenetiker regelmäßig auf Überraschungen. Polyploidie nennt man es in der altehrwürdigen Nomenklatur der Genetiker, wenn ein Chromosomensatz nicht diploid (2n = 2x), sondern beispielsweise tetraploid (2n = 4x), hexaploid (2n = 6x) oder in noch höheren Verdopplungsstufen vorliegt.
Mit etwas Glück können dabei vorteilhafte Merkmale aus zwei unterschiedlichen Eltern in einer Pflanze zueinander finden. Manchmal entstehen auch ganz neue Eigenschaften.
Ursache ist meist eine Fehlfunktion bei der Meiose, wenn homologe Chromosomen nicht ordnungsgemäß auf die Gameten verteilt werden. Pflanzenzüchter können die Polyploidisierung auch künstlich herbeiführen – zum Beispiel, indem sie den Spindelapparat chemisch blockieren und damit die Taue kappen, an denen die Chromosomen in die zukünftigen Gameten gezogen werden.
Ohne zu ahnen, was in den Zellkernen vor sich geht, machen sich Ackerbauern die Neigung vieler Pflanzen zur spontanen Genomvereinigung und -verdopplung schon seit Jahrtausenden zunutze. Und so wundert es nicht, dass Kulturpflanzen oft mit einer bunten Abfolge historischer Hybridisierungen und Genomverdopplungen aufwarten.
Raps (Brassica napus) ging etwa erst vor wenigen tausend Jahren aus einer Kreuzung zwischen Brassica rapa („Rübsen“) und Gemüsekohl (Brassica oleracea) hervor. Unter den Erdbeeren gibt es sogar Varietäten mit zehnfachem (dekaploidem) Chromosomensatz.
Das bekannteste Beispiel polyploider Kulturpflanzen ist der Weizen: Heutiger Saatweizen ist hexaploid und ein Hybrid aus einer diploiden Wildweizenart und dem tetraploiden Emmer. Das Emmergenom selbst hat auch wieder eine verwickelte Ahnenreihe.
Bei der genomischen Veredelung von Weizen und Erdbeeren hat der Mensch durch Zuchtwahl nachgeholfen. Aber auch in der Natur entstehen durch Hybridisierung oft neue, vorteilhafte Eigenschaften. Hybriden mit einem Extrasatz Chromosomen können sich oft gegen die diploiden Elternarten durchsetzen.
Eine kitzlige Phase ist dabei die Etablierung eines stabilen genetischen Mechanismus, damit die Chromosomen ausbalanciert und ohne Scherereien an die Nachkommen weitergegeben werden – denn bei der Meiose mit eigentlich überzähligen Partnern, die sich so noch nie begegnet sind, droht Chaos. Dabei unterscheiden Genetiker zwei grundsätzlich verschiedene Polyploidie-Typen: bei der Allopolyploidie gehen die verdoppelten Chromosomensätze aus einer Hybridisierung verschiedener Elternarten hervor, im Gegensatz zur Autopolyploidie, bei der sich ein Chromosomensatz innerhalb einer Art verdoppelt.
Langfristig etablieren kann sich eine polyploide Art jedenfalls nur, wenn sich bei der Weitergabe der Chromosomen eine gewisse Ordnung und Regelhaftigkeit einstellt. „Im Weizen und Kohl gibt es beispielsweise genetische Kontrollelemente, so dass sich die Chromosomen immer ‚richtig‘ paaren“, erklärt Hanna Schneeweiss, Cytogenetikerin am Department für Botanik und Biodiversitätsforschung der Universität Wien. Schneeweiss und ihr Team erforschen seit vielen Jahren polyploide Genome.
Eine Pflanzengattung, zu der sie immer wieder zurückkehrt, sind Asteraceen aus der Gattung Melampodium, die hauptsächlich in Mittelamerika verbreitet sind. Im Gespräch mit Laborjournal erzählt Schneeweiss, was sie an den amerikanischen Gänseblümchen so faszinierend findet: „In dieser Gattung sind etwa vierzig Arten bekannt, und die Chromosomenanzahl zeigt eine große Vielfalt. Es gibt diploide Melampodium-Arten mit einer Basischromosomenzahl von 9, 10, 11, 12 und 14.“ Und dazu eben noch polyploide Arten, die oft das Resultat von Hybridkreuzungen sind.
Die Gattung Melampodium umfasst 40 Arten, zu denen auch Melampodium pilosum (l.) sowie M. sericeum gehören. Ihre Chromosomenzahl ist sehr unterschiedlich, viele Arten sind polyploid und enthalten 20, 40 oder 60 Chromosomen. Foto: Enrique Ortiz
Melampodium strigosum beispielsweise hat einen vierfachen Chromosomensatz (2n = 4x = 40 Chromosomen) und ist aus einer Kreuzung zwischen den diploiden Arten M. americanum und M. glabribracteatum (jeweils 2n = 20 Chromosomen) hervorgegangen. Aus einer Kreuzung von M. strigosum mit einer weiteren diploiden Art sind dann sogar hexaploide Arten entstanden.
Eine ideale Spielwiese also für Cytogenetiker, um Chromosomenvermehrungen in freier Wildbahn und ihre Auswirkungen auf die Genomevolution zu untersuchen. Aber wie finden die Forscher in dieser verwirrenden Vielfalt heraus, aus welchen Bestandteilen das Genom einer Art zusammengewürfelt ist?
„Um Kandidaten für mögliche Ausgangsarten zu finden, nutzen wir zuerst Methoden zur Erstellung molekularer Stammbäume“, sagt Schneeweiss. Sind „Verdächtige“ gefunden, die als Elternarten in Frage kommen, geht es an die Zytologie: Chromosomen werden dazu mit Fluoreszenzfarbstoffen „angemalt“, die ihre Herkunft verraten.
Die Chromosomenfärbemethode, Genomic In Situ Hybridization (GISH), eignet sich besonders, um die genomischen Beiträge verschiedener Elternarten in einer Hybridpflanze aufzudröseln. Die Wiener Pflanzenforscher haben 2015 beschrieben, wie man dieses Werkzeug für ihre Zwecke optimieren kann (Cytogenet. Genome Res. 146: 325-31).“Wir können nun die Herkunft der Chromosomen in einer polyploiden Pflanze sicher bestimmen, auch wenn die Elternpflanzen sich genetisch ähnlich sind“, erklärt Schneeweiss.
Im Prinzip ist das Vorgehen schnell erklärt: Die DNAs der beiden vermuteten Ausgangsarten dienen als Sonden. Zur Herstellung der Sonden wird das Erbmaterial gekocht und liegt danach nicht nur einzelsträngig vor, sondern zerfällt auch in circa 300 Basenpaare lange Stückchen. Die zwei Sorten Sonden-DNA markieren die Cytogenetiker mit einem Fluorochrom – in zwei verschiedenen Farben, versteht sich.
Schließlich müssen die Cytogenetiker noch die Chromosomen der polyploiden Pflanze auf einem Objektträger präparieren, so dass sie schön ausgebreitet nebeneinander liegen. Nach Erhitzen und Abkühlen finden komplementäre DNA-Abschnitte der Sonden und Chromosomen zueinander, und die Fluoreszenz zeigt an, welche Chromosomen (oder Chromosomenabschnitte) jeweils von welcher Elternpflanze abstammen.
Mit dieser Methode erforschen die Wiener zum Beispiel auch die chromosomalen Verwandtschaftsbeziehungen in der Pflanzengattung Prospero, zu welcher der Artenkomplex des Herbst-Blausterns Prospero autumnale gehört, ein Spargelgewächs, das im Mittelmeerraum verbreitet ist.
Auch in Prospero-Arten finden Schneeweiss und ihr Labor mit Hilfe der GISH-Methode eine bunte genomische Vielfalt aus Autopolyploidie und Allopolyploidie, mit vielen interessanten Besonderheiten, die hier jedoch zu weit führen (siehe zum Beispiel Front. Plant Sci. 9: 433).
Aber zurück zu den amerikanischen Gänseblümchen und einer kürzlich erschienenen Arbeit von Jamie McCann und seinen Kollegen aus dem Schneeweiss-Labor (Systematic Biology: syy024). In diesem Paper zeigen die Autoren nämlich auch, wie man mit bioinformatischen Methoden das Alter einer Polyploidisierung bestimmen kann.
„Wir haben dazu Gene sequenziert, die in den diploiden, parentalen Pflanzen als Einzelkopie-Gene vorliegen. In der polyploiden Art haben wir also jeweils zwei Varianten dieser Gene. Für die bioinformatische Analyse behandelt man die zwei Sub-Genome so, als ob sie unabhängige Arten wären“, erklärt Schneeweiss.
Um herauszufinden, wann die Genomverdopplung in etwa stattgefunden hat, nutzen die Genetiker neutrale Mutationen als Zeitmesser. Diese Mutationen häufen sich sowohl in den Ausgangsarten als auch in den zwei Sub-Genomen der Hybridpflanze kontinuierlich an, abhängig von der Mutationsrate. Eichpunkte für diese molekulare Uhr sind zum Beispiel Fossilfunde oder datierbare geologische Ereignisse.
Die Forscher wissen beispielsweise, dass die Polyploidisierung in M. strigosum wohl vor etwa 1,4 Millionen Jahren stattgefunden hat. Sie können mit dieser Information besser einschätzen, mit welcher Dynamik sich Genome in freier Wildbahn nach so einem dramatischen Ereignis verändern. Besonders schön sehen sollte man die Umwälzungen an repetitiven DNA-Sequenzen, wie Transposons und Satelliten-DNA. Mit Next Generation Sequencing haben die Wiener in M. strigosum auch schon nachgeschaut, was sich hinsichtlich der Repeat-Dynamik getan hat. Ein paar Bewegungen bei bestimmten Repeat-Klassen zeigten sich, aber insgesamt sind die zwei Sub-Genome ihren Ausgangsarten noch recht ähnlich. 1,4 Millionen Jahre sind wohl, evolutionär gesehen, nicht so arg viel Zeit.