(08.05.2020) BREMEN: Pflanzen können drei Eltern haben – dafür muss genetisches Material vom zweiten Vater aber an einem DNA-Checkpoint vorbeigeschmuggelt werden.
Viele Pflanzenarten haben mehr als einen doppelten Chromosomensatz, und zwar sowohl Wildpflanzen als auch moderne Zuchtformen.
Doch wie entsteht eigentlich Polyploidie? Bisherige Lehrmeinung war, dass hauptsächlich Defekte bei der Meiose in Eizellen und Spermien zur Verdopplung kompletter Genome führen. Diese klassische Sicht der Dinge stellte aber schon 2017 die Arbeitsgruppe von Rita Groß-Hardt von der Universität Bremen in Frage. Thomas Nakel, Dawit Tekleyohans und Kollegen zeigten nämlich, dass polyploide Pflanzen auch entstehen können, wenn eine Eizelle von zwei Spermien befruchtet wird (Nat. Commun. 8: 1033).
Um die sogenannte Polyspermie genauer zu untersuchen, entwickelten die Forscher ein Hochdurchsatz-Screening-System namens HIPOD (von High-throughput Polypaternal Breeding Design), das die Befruchtung einer einzelnen Eizelle mit Spermien zweier verschiedener Väter nachweist. Das Verfahren basiert auf einem Zwei-Komponenten-System: Die erste Komponente besteht aus dem synthetischen Transkriptionsfaktor GAL4, den das Spermium des ersten Vaters mitbringt. Dieser Transkriptionsfaktor aktiviert die zweite Komponente, den Promotor UAS, der ein Gen reguliert, welches Herbizidresistenz vermittelt. Diese Komponente liefert ausschließlich der zweite Vater. Nur wenn Spermien beider Väter mit der Eizelle verschmelzen, wird die Herbizidresistenz aktiviert und kann als Selektionsmarker in Sämlingen dienen. Mithilfe dieses genetischen Tricks konnten die Forscher Pflanzen identifizieren, die Genomkopien dreier verschiedener Eltern enthielten – ein bis dahin vollkommen unbekanntes Phänomen.
„Diese initialen Ergebnisse haben gezeigt, dass Polyploidie in Pflanzen auch durch Polyspermie entstehen kann“, resümiert Groß-Hardt. „Man muss jetzt überprüfen, ob und wie häufig Polyspermie in der Natur vorkommt und welche Rolle sie bei der Evolution polyploider Pflanzen spielt.“
Pflanzen verfügen eigentlich über effektive Mechanismen, die Vererbung überzähliger Chromosomen zu vermeiden. Um das zu verstehen, muss man sich den besonderen Befruchtungsvorgang von Blütenpflanzen vergegenwärtigen, der sich von dem der Tiere durch die sogenannte doppelte Befruchtung unterscheidet. Jedes Pollenkorn enthält zwei Spermazellen. Wenn es auf der Narbe einer Blüte landet, bildet es einen langen Schlauch, der sich durch den Stempel Richtung Eizelle vorarbeitet.
Hat der Pollenschlauch sein Ziel erreicht, befruchtet eines seiner zwei Spermien die Eizelle und ein Embryo entsteht. Das andere Spermium verschmilzt mit der benachbarten Zentralzelle, woraus sich das Endosperm entwickelt. Dieses dient einerseits als Nährgewebe und kontrolliert andererseits die Befruchtung. „Das Endosperm verfügt über einen Checkpoint, der eingehende DNA bezüglich der Chromosomenzahl überprüft. Diesen Checkpoint nennt man Triploid-Block“, erklärt Groß-Hardt. Besteht das Erbgut des Vaters diese Prüfung nicht, möchten also zu viele Chromosomen in das Endosperm, stirbt der Same ab.
Wenn Polyspermie aber dennoch möglich ist: Wie kann diese Kontrollstelle umgangen werden? Mit dieser Fragestellung beschäftigte sich die Postdoktorandin Yanbo Mao mit experimenteller Unterstützung von Kollegen in Bielefeld und Halle. „Das ursprüngliche Screening-System ermöglicht die Selektion von Sämlingen. Zu diesem Zeitpunkt existiert das Endosperm aber nicht mehr, da es vollkommen vom Embryo aufgebraucht wurde“, erklärt Mao die bisherige Limitierung der 2017 publizierten HIPOD-Methode. „Wir mussten also zu einem früheren Zeitpunkt einen Blick auf den Prozess werfen können. Die Lösung war das HIPODSCO1-System.“
Als Marker für eine geglückte Polyspermie dient hier das Gen SCO1 (Snowy Cotyledon 1). Dieses Gen benötigt die Pflanze, um Lichtsammelkomplexe zu bilden und die Photosynthese zu starten. Eine Mutation ist einfach zu erkennen: Samen der sco1-Mutanten werden nicht grün, auch die Keimblätter bleiben gelblich. Das HIPODSCO1-System besteht nun aus einer weiblichen sco1-Mutante, die nur nach Befruchtung mit zwei Spermien, welche gemeinsam funktionales SCO1-Protein bilden, Nachkommen mit grünen Samen hervorbringt. Ein elegantes genetisches Selektionssystem, das nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis funktioniert.
In zwei HIPODSCO1-Screens analysierte Mao insgesamt über 65.000 Samen von diploiden Arabidopsis thaliana. Eine Dreiecksbeziehung war allerdings sehr selten, wie Mao berichtet: „Wir fanden nur 13 grüne Samen, die also einen Embryo enthielten, der jeweils eine Mutter und zwei Väter hatte.“ Die Auszählung der Chromosomen in den Samen zeigte außerdem, dass das Endosperm überhaupt keine zusätzlichen Genkopien erhalten hatte (eLIFE 9: e52976). Das deutete darauf hin, dass das genetische Material des zweiten Vaters vermutlich am Checkpoint der Mutter vorbeigeschmuggelt wurde, sodass der Triploid-Block gar nicht erst aktiviert wurde. Ein weiteres Experiment stützte diese Interpretation.
In Kreuzblütlern wird der Triploid-Block durch ein Gen namens Admetos (ADM) reguliert, wie Kollegen um Claudia Köhler von Universitäten in Uppsala und Zürich in der Vergangenheit bereits dokumentiert hatten (Dev. Cell. 26: 525). Sie verwendeten dafür unter anderem eine Arabidopsis-Mutante, bei der aufgrund einer Genmutation Probleme in der Meiose auftreten und demzufolge fast nur diploide Spermien entstehen. Aus der Selbstbefruchtung der Pflanzen entwickelten sich schließlich triploide Embryone, von denen jedoch etwa dreißig Prozent starben. Bei der Doppelmutante, die kein funktionales ADM-Gen besaß, überlebten 98 Prozent. Aktives ADM verhindert also eine Polyploidisierung durch Väter mit doppeltem Chromosomensatz. Die ADM-Funktion wird dabei nur im Endosperm aktiv.
Die Bremer Forscher um Groß-Hardt fragten sich nun, ob der Triploid-Block auch Polyspermie, also die Befruchtung durch zwei Samenzellen verhindert. Wenn ja, müssten sie bei einem HIPOD-Screen mit männlichen adm-Mutanten auch deutlich mehr überlebensfähige, triploide Samen generieren können. Das Ergebnis zeigte: Sie fanden nur ein paar mehr triploide Nachkommen. Und das ist vor dem Hintergrund gar nicht so erstaunlich, hatten die Forscher ja zuvor schon festgestellt, dass bei Polyspermie nur die Eizelle doppelt befruchtet wird, die Zentralzelle aber nicht. So kann sich ein Endosperm mit „normalem“ Chromosomensatz entwickeln und den Embryo ernähren, der Triploid-Block wird also übergangen. Im Gegensatz dazu steht eine Befruchtung mit diploiden Spermien: Hier erhält ja auch die Zentralzelle den doppelten Chromosomensatz. Polyspermie ist also zwar ziemlich selten, aber das Endosperm hat damit nichts zu tun, zumindest nicht über den ADM-Weg.
Dieses Ergebnis könnte für die Züchtung durchaus spannend werden. Denn wenn man durch Polyspermie diesen DNA-Checkpoint umgehen kann, könnte man ertragreiche, widerstandsfähige Hybride aus Kreuzungen gewinnen, an denen man sich bisher vergebens versucht hat. Oder es könnten ganz neue Sorten entstehen.
Das HIPOD-Screening-System, das die Forscher übrigens zum Patent angemeldet haben, kann ein wertvolles Hilfsmittel zur schnellen Identifizierung von Drei-Eltern-Nachkommen sein. Aktuell kooperieren die Bremer Forscher mit dem deutschen Saatguthersteller KWS – und man darf getrost annehmen, dass in diesem Rahmen an neuen Sorten und Hybriden gearbeitet wird.
Finanziert werden Groß-Hardt und ihre Mitarbeiter von einem European Research Council Consolidator Grant. „Die knapp zwei Millionen Euro haben es uns ermöglicht, hier wirklich Neuland zu betreten“, so die Forscherin. „Dafür bin ich sehr dankbar.“
„In diesen speziellen Zeiten ein spezielles Gruppenfoto“, so Rita Groß-Hardt (Mitte vorne), die mit Yanbo Mao (re. daneben) und ihrer restlichen Arbeitsgruppe in Bremen die Genetik von Pflanzen studiert. Foto: Jonas Ginter/InnoWi und Thomas Nakel