Chloroplasten vom Vater

Bei Kälte kann nicht nur die Mutter-, sondern auch die Vaterpflanze ihre Chloroplasten an die Nachkommen weitergeben

Forschende des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam haben erstmals die Vererbung von Chloroplasten unter verschiedenen Umweltbedingungen analysiert. Entgegen der bisherigen Ansicht, dass nur die Mutterpflanze Chloroplasten weitergeben kann, können bei Kälte auch väterliche Chloroplasten an die Nachkommen vererben. Mütterliche und väterliche Chloroplasten treffen also in den Nachkommen aufeinander und könnten genetisches Material miteinander austauschen. Die neuen Erkenntnisse erlauben es der Pflanzenzucht erstmals, Eigenschaften aus dem Erbmaterial von Chloroplasten selektiv zu nutzen.

Bienen und Blümchen sind der klassische Einstieg in ein Thema, über das in unserer Gesellschaft viel zu selten gesprochen wird: Sex bei Pflanzen! Bei der pflanzlichen Vermehrung treffen männliche Geschlechtszellen in Form von Pollen auf die weibliche Eizelle und verschmelzen mit ihr. Dabei wird das väterliche und mütterliche Erbgut aus den Zellkernen im Samen neu kombiniert. Das ist wichtig, da auf diese Weise schadhafte Mutationen, die sich im Laufe der Generationen im Erbgut einer Elternlinie ansammeln, ausgeglichen werden können.

Neben dem Erbgut im Zellkern besitzen Mitochondrien und Chloroplasten gleichfalls Erbgut. Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen. Mit ihnen verbrennen Tier- und Pflanzenzellen Kohlenhydrate, um die freiwerdende Energie für ihren Stoffwechsel nutzen zu können. Pflanzen besitzen außerdem auch Chloroplasten, die den grünen Farbstoff Chlorophyll enthalten und die Solarkraftwerke der Pflanzen darstellen. Sie nutzen Sonnenenergie, um in der Fotosynthese Kohlenhydrate herzustellen.

Organelle mit eigenem Erbgut

Mitochondrien und Chloroplasten besitzen ihr eigenes Erbgut. Sie stammen ursprünglich von Bakterien ab, die vor mehr als einer Milliarde Jahren von Vorläufern der heutigen Tier- und Pflanzenzellen aufgenommen wurden, und mit denen sie seitdem eine Lebensgemeinschaft bilden. Inzwischen sind diese früheren Untermieter unverzichtbare Bestandteile unserer Zellen geworden.

Mitochondrien und Chloroplasten werden im Gegensatz zum Erbgut aus den Zellkernen nicht gleichmäßig von Vater und Mutter vererbt. Beide werden fast ausschließlich von der Mutter weitergegeben. Bei Pflanzen kommen sie entweder gar nicht erst in das Pollenkorn hinein, oder ihr Erbgut wird im Pollen abgebaut. Wenn Mitochondrien und Chloroplasten von Mutter und Vater sich nie treffen, können sie auch kein Erbgut austauschen. Daher müssten sich eigentlich schadhafte Genveränderungen über die Generationen hinweg anreichern und irgendwann zum Kollaps führen.

Fast vier Millionen Pflanzen untersucht

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie haben nun herausgefunden, dass Chloroplasten in Tabakpflanzen unter bestimmten Umweltbedingungen auch regelmäßig von der Vaterpflanze weitergegeben werden können. Dazu stellten die Forscher zunächst Vaterpflanzen her, deren Chloroplasten resistent gegen ein Antibiotikum sind. Anschließend wurden diese Pflanzen während der Pollenreife verschiedenen Umweltbedingungen wie Hitze, Kälte, Trockenheit und Starklicht ausgesetzt. Mit dem Pollen dieser Pflanzen wurden unveränderte Mutterpflanzen bestäubt.

Die aus dieser Kreuzung hervorgegangenen Samen wurden auf einem Nährmedium mit dem entsprechenden Antibiotikum angezogen. Da nur die väterlichen Chloroplasten auf diesem Medium überleben, erscheinen Zellen, die Chloroplasten von der Vaterpflanze enthalten grün, während die Pflanzen mit nur mütterlich vererbten Chloroplasten farblos sind, da diese Chloroplasten aufgrund der fehlenden Antibiotikaresistenz ausbleichen. Da die väterliche Vererbung von Chloroplasten extrem selten ist, mussten die Wissenschaftler fast vier Millionen Pflänzchen analysieren, um zu zeigen, dass der Anteil der väterlich vererbten Chloroplasten bei Kältebehandlung 150-mal höher ist als bei normaler Temperatur.

Gezielte Vererbung von Chloroplasten

„Wir wissen, dass Kälte die Arbeit von Enzymen im Stoffwechsel der Pflanzen verlangsamt. Daher hatten wir den Verdacht, dass ein Enzym daran beteiligt sein könnte, die väterliche Vererbung von Chloroplasten zu blockieren“, erläutert Enrique Gonzalez-Duran, der auch maßgeblich an der Studie beteiligt war. Die Wissenschaftler stellten daraufhin gezielt Pflanzen her, die ein defektes Enzym in sich tragen, welches normalerweise das Erbgut der Chloroplasten während der Pollenreife zerstört. Pflanzen mit defektem Enzym zeigten ebenfalls eine massiv erhöhte väterliche Vererbung von Chloroplasten. In Kombination führen Enzymdefekt und Kälte bei der Pollenentwicklung zu einer väterlichen Vererbungsrate von zwei bis drei Prozent. „Das mag erst einmal wenig klingen, ist aber gigantisch im Vergleich zu einer 1:100.000 Chance, dass so etwas unter Normalbedingungen stattfindet. Es wird nun spannend zu untersuchen, ob mütterlich und väterlich vererbte Chloroplasten tatsächlich Erbgut untereinander austauschen“, erläutert Kin Pan Chung, ein weiterer Autor der Studie.

Die Erkenntnis, dass die väterliche Vererbung von Chloroplasten durch äußere Einflüsse und Veränderung einzelner Enzyme in der Pflanze steuerbar ist, eröffnet ganz neue Perspektiven für die Pflanzenzüchtung. „Da man bisher dachte, Mitochondrien und Chloroplasten würden immer nur zusammen und nur von der Mutter vererbt, gab es keine Möglichkeit, die in ihrem Erbgut verschlüsselten Eigenschaften getrennt voneinander weiterzugeben. Die Möglichkeit, durch eine simple Kältebehandlung auch die Chloroplasten der väterlichen Seite zu vererben, könnte die Tür zu ganz neuen Züchtungsprogrammen öffnen“, erklärt Ralph Bock, der Leiter der Forschungsgruppe.

Warum Mitochondrien und Chloroplasten größtenteils durch die Mutter vererbt werden, ist immer noch unklar. Dass diese Art der Vererbung flexibel auf Umweltbedingungen reagieren kann, dürfte auch Evolutionsbiologen veranlassen, einige gängige Theorien und Modelle neu zu überdenken. „Es zeigt auch, wie wichtig es ist, Umweltbedingungen in der genetischen Forschung mit zu berücksichtigen. Chloroplasten haben uns Jahrzehntelang glauben lassen, sie lebten enthaltsam, jetzt können wir da nicht mehr so sicher sein“, so Bock.

TL, URS