Die Genomverdopplung ist ein Phänomen, das vor allem bei Pflanzen weit verbreitet ist. Eine Vervielfachung des Erbguts beider Eltern hat das Überleben vieler Pflanzen im Laufe der Evolution erst möglich gemacht. Durch die Vervielfachung der Chromosomensätze in einer Zelle, auch Polyploidisierung genannt, können sich Eigenschaften bei Pflanzen schneller ausprägen. Das Anpassungspotenzial der Pflanzen an Klimaveränderungen scheint für Forscher daher vielversprechend, auch hinsichtlich der Züchtung neuer Nutzpflanzen.

Schneller Ausstieg aus Zellteilung

„Die Pflanzenzüchtung nutzt die Genomverdoppelung, etwa um robustere oder ertragreichere Pflanzen zu erzeugen“, erklärt Arp Schnittger von der Universität Hamburg. Gemeinsam mit seinem Team hat der Entwicklungsbiologe den Mechanismus der Genomverdopplung in Wurzeln der Modelpflanze Arabidopsis thaliana untersucht und den Auslöser des Prozesses gefunden. Wie die Gruppe im Fachjournal „Developmental Cell“ berichtet, kommt es zur Genomverdopplung, wenn die Zellteilungsmaschinerie gestört wird.

Wie auch bei Tieren koordiniert in den Pflanzen ein sogenannter Spindelapparat-Checkpoint, dass die für die Kernteilung verdoppelte DNA des Zellkerns auf zwei Tochterzellen aufgeteilt werden kann. Wird die Ausbildung der Spindelfasern gestört, werden die weiteren Abläufe der nun folgenden Zellteilung erst mal gestoppt. Wie die Hamburger entdeckten, dauert diese Phase bei den Pflanzen aber nur etwa zwei Stunden lang. Dann startet die Zelle einen neuen Zellzyklus mit Kern- und Zellteilung. Das Erbgut hat sich damit verdoppelt. „Der schnelle und aktive Ausstieg aus der Zellteilung hat uns sehr erstaunt. Möglicherweise hat er sich als großer Gewinn in der Evolution der Pflanzen erwiesen“, sagt Schnittger. Bei Tieren kann die Wartephase durch einen gestörten Spindelapparat-Aufbau mehr als 20 Stunden dauern. Dabei sterben die meisten Zellen ab.

Forschungsverbund nimmt Hybride ins Visier

Die neuen Erkenntnisse will das Team um Schnittger im Forschungsverbund „Hybride – Chancen und Herausforderungen von neuen genomischen Kombinationen“, weiter verfolgen. Hier soll geklärt werden, ob Genomänderungen bei der Hybridbildung, also der Kreuzung zweier Arten, bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Forscher hoffen über diesen Weg zu erfahren, ob die genomischen Veränderungen der Pflanze etwa Vorteile bei der Anpassung an den Klimawandel verschaffen und ob diese für die biotechnologische Nutzung geeignet sind.

Hybridforschung umfasst Pflanzen- und Tierarten

Im Fokus der Untersuchung steht nicht nur die Modellpflanze Ackerschmalwand. Auch Pappel- und Schlickgras sowie Schnecken-, Fisch- und Lemuren-Arten nimmt das Hybride-Team ins Visier. „Die Organismen sind so ausgewählt, dass wir zentrale Fragen der Hybridforschung an je einer Pflanzen- und einer Tierart untersuchen können. Ausgehend von der Hybridverbreitung und einer Untersuchung der genomischen Bedingungen für wichtige biologische Funktionen sollen die Grundlagen für die Leistungsfähigkeit von Hybriden und schließlich die Genome selbst analysiert werden“, erklärt Schnittger. An dem bis 2020 laufenden  Projekt sind neben der Universität Hamburg, das Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin (BNI) und des Climate Service Center Germany (GERICS) beteiligt.

bb/pg