Pflanzenbiologie

Verblassende Petunien

Ob Hitze, salzige Böden oder Trockenheit: Die Umwelt kann die Aktivität von Genen direkt beeinflussen. Diese epigenetischen Veränderungen werden bei Pflanzen zuweilen vererbt, wie der Biologe Ueli Grossniklaus nachgewiesen hat.

Stefan Stöcklin

Ueli Grossniklaus
Will die Landwirtschaft mit neuen Zuchtmethoden revolutionieren: Pflanzengenetiker Ueli Grossniklaus. (Bild: Meinrad Schade)

 

Ueli Grossniklaus hat ein grosses Ziel: Der Molekularbiologe will die Landwirtschaft mit neuen Zuchtmethoden revolutionieren. Das sei dringend nötig, um auch in Zukunft genügend Reis, Mais oder Weizen für die wachsende Weltbevölkerung zu produzieren. Der gross gewachsene Professor mit der intellektuellen Nickelbrille arbeitet seit Jahren mit Hochdruck an verschiedenen Verfahren – zum Beispiel an der Apomixis, einer Form der asexuellen Vermehrung via Samen. Oder an der Epigenetik, sie modifiziert die Aktivität eines Gens, ohne dass das Gen selbst verändert wird. Vor kurzem glückte ihm zusammen mit seinem Team ein wegweisendes Experiment in diesem Bereich: «Wir konnten erstmals bei Modellpflanzen zeigen, dass epigenetische Veränderungen selektioniert und über mehrere Generationen weitervererbt werden können.» Was nichts anderes bedeutet, als dass die Epigenetik tatsächlich zur Pflanzenzucht genutzt werden kann.

Aber worum geht es genau? Blättert man in Zeitungsarchiven zum Thema Epigenetik, finden sich dazu Artikel wie «Lamarck hatte doch Recht» und «Der Sieg über unsere Gene» oder «Wie erworbene Eigenschaften vererbt werden». Grossniklaus, der seit 25 Jahren über Epigenetik forscht, ereifert sich: «Es gibt wohl kaum ein wissenschaftliches Thema, über das mehr Unsinn geschrieben wurde.» Die einen jubelten es zum Jahrhundertphänomen hoch, die anderen machten sich darüber lustig.

Gene öffnen und verriegeln

Dass die Epigenetik zum zuweilen missbrauchten Modewort geworden ist, hat auch mit ihrer späten Entdeckung zu tun. Erst in den 1950er-Jahren stiessen Biologen auf vererbbare Eigenschaften, die sich unerwartet verhielten, später entdeckte man die dahinterliegenden molekularen Mechanismen. Vorher herrschte das Dogma, dass alle Eigenschaften durch die DNA der Gene, das heisst die Abfolge ihrer chemischen Bausteine – der Nukleotide – bestimmt ist und vererbt wird. Nun erkannten Wissenschaftler, dass chemische Veränderungen an den Nukleotiden und Histonproteinen (siehe Kasten) über die Genaktivität entscheiden und Gene sozusagen verriegeln oder öffnen können. Und es zeigte sich, dass diese epigenetischen Schlösser von der Umwelt beeinflusst werden.

Erhellend war ausgerechnet ein Experiment, das zunächst als grösster Flop der Genforschung in die Geschichte einging. 1990 pflanzten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Züchtungsforschung in Köln 30 000 genmanipulierte Petunien auf ein fussballgrosses Versuchsfeld. Dem ersten deutschen Freilandversuch ging eine lange Debatte über mögliche Umweltrisiken voraus. Schliesslich erhielten die Forscher grünes Licht und setzten die Petunien, die aufgrund einer Genmanipulation lachsrote statt weisse Blütenblätter austreiben sollten, ins Feld. Die künstliche Blütenfarbe sollte dazu dienen, so genannte springende Gene zu isolieren. Dann kamen die glühend heissen Hundstage und die lachsroten Petunien erbleichten unerwartet, was das ursprüngliche Experiment zunichte machte. Der heftig umstrittene Versuch geriet zum «Fiasko in Farbe», wie der «Spiegel» titelte.

Wie sich nachträglich herausstellte, hatte die Hitze epigenetische Prozesse aktiviert, die das künstlich eingeführte Farben-Gen stilllegten. So führte das missglückte Experiment doch noch zu wichtigen Erkenntnissen. Es zeigte, dass die Umwelt Genaktivitäten direkt beeinflussen und die Nukleotide verändern kann. Man schien einem Mechanismus auf der Spur, der an umstrittene Theorien von Jean Baptiste de Lamarck (1744–1829) erinnerte. Sie besagten, dass erworbene Eigenschaften weitervererbt werden können. So entwickelte sich zum Beispiel der lange Giraffenhals laut Lamarck dank Tieren, die sich in die Höhe streckten und diese Fähigkeit weitervererbten. Darwin hat eine derartig gerichtete Anpassung widerlegt. Neue Eigenschaften werden gemäss der Evolutionstheorie aufgrund zufälliger Mutationen und Selektion durch die Umwelt herausgebildet – der Fitteste überlebt.

Stress vererben?

Nach dem Petunien-Experiment gingen Forscher nun wieder der Frage nach, wie Umweltbedingungen die genetische Maschinerie direkt verändern konnten – ein scheinbarer Widerspruch zu Darwin. Sie konnten zeigen, dass in der Erbsubstanz DNA niedergeschriebenen Gene durch chemische Modifikationen stillgelegt oder aktiviert werden. Verantwortlich dafür sind aus einem Kohlenstoff und drei Wasserstoffatomen bestehende Methylgruppen, die an ein bestimmtes Nukleotid angehängt oder von diesem entfernt werden.

Nun setzte eine fieberhafte Suche nach der Bedeutung epigenetischer Veränderungen ein. Im Zentrum standen grundlegende biologische Entwicklungsvorgänge, aber auch die Frage, inwieweit Krankheiten epigenetische Ursachen haben. Tatsächlich finden sich bei vielen Leiden epigenetische Veränderungen: Bei Krebs können Zellen aufgrund stillgelegter Gene zu wuchern beginnen. Gesichert ist auch, dass äussere Einflüsse wie die Ernährung, Stress oder Infektionen epigenetische Veränderungen auslösen. Sogar traumatische Erlebnisse verändern den epigenetischen Status von Stressgenen. Kontrovers diskutiert wird dagegen ihre Rolle bei der Vererbung: «Alles dreht sich um die Frage, ob epigenetische Veränderungen über mehrere Generationen vererbt werden können oder nicht», sagt Grossniklaus.

Im Fall von Pflanzen sei die Antwort «ein definitives Ja», sagt der PflanzenMolekularbiologe, der sich mit seinem Rossschwanz ein nonkonformistisches Aussehen bewahrt hat. Es gebe viele Beispiele epigenetischer Vererbung, zum Beispiel eine Blütenform beim Leinkraut (Linaria vulgaris), dessen Form allein auf der Stilllegung eines Gens durch Methylierung beruht und an die Nachkommen weitergegeben wird.

Bei Säugetieren und Menschen hingegen sei die Evidenz schwach. Grossniklaus rät zur Vorsicht bei Berichten über den Einfluss von Ernährung oder Stress der Grosseltern auf die Gesundheit der Enkel. Obwohl manche Studien einen Zusammenhang postulieren, sei nicht klar, ob hier wirklich die Epigenetik eine Rolle spielt. Dies, weil bei Säugetieren und Menschen der epigenetische Status der Ei und Spermienzellen während ihrer Entwicklung jedes Mal wieder auf null gestellt wird. Bei Pflanzen dagegen ist die Entwicklung der Keimzellen nicht derart hermetisch abgetrennt wie bei Säugetieren. Das mache ja auch Sinn, sagt der Biologe, sonst würden wir alle die Stresserlebnisse unserer Ahnen in uns tragen.

Anpassungsfähige Pflanzen züchten

In ihrer wegweisenden Studie gehen Ueli Grossniklaus und seine Kollegen nun noch einen Schritt weiter: Sie zeigen nicht nur, dass epigenetische Pflanzeneigenschaften stabil vererbt werden, sondern dass sie auch selektionierbar sind – was viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bezweifelten. Dazu griffen sie auf Schösslinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zurück, die während mehrerer Generationen auf Samenverbreitung selektioniert wurden. Die Forscher sammelten jene Samen, die am weitesten fortgetragen wurden, und liessen sie wieder keimen. Danach liessen sie die Pflanzen während drei Generationen ohne Selektion wachsen und verglichen ihren epigenetischen Status mit den Ausgangspflanzen. «Wir fanden bei 50 000 DNA-Bausteinen Veränderungen der Methylierung», sagt Grossniklaus. Im Verlauf des Experiments wurden verschiedene zufällig stillgelegte Gene selektioniert, die mit der Blütezeit, dem Grad der Verzweigung und der Pflanzengrösse zu tun haben – alles Merkmale, die auf die Samenverbreitung wirken.

Das auf den ersten Blick unscheinbare Ergebnis ist ein grosser Wurf: Es rückt die Epigenetik in ein neues Licht und zeigt erstmals, dass sie der Selektion unterworfen ist und züchterisch genutzt werden kann – zumindest bei Pflanzen. Die neuen Einsichten sind Ergebnis hartnäckiger Arbeiten in Feld und Labor. «Wir haben mehr als zehn Jahre daran gearbeitet», sagt Grossniklaus. Als extrem aufwendig erwiesen sich der Nachweis des epigenetischen Status jedes einzelnen Nukleotids in der DNA der Pflanze und der Ausschluss genetischer Veränderungen. Die Ackerschmalwand hat zwar ein kleines Genom im Umfang von 125 Millionen Nukleotidpaaren, aber jedes einzelne Nukleotid von insgesamt 40 Versuchspflanzen musste analysiert werden. Diese Studien waren technisch diffizil und teuer, was ihre Finanzierung erschwerte.

Von der Bedeutung seiner Forschungsresultate ist Grossniklaus überzeugt. «Epigenetische Variation erweitert die herkömmliche genetische Variation und kann gezielt gefördert werden», sagt er. Sie ist zwar weniger stabil als eine genetische Veränderung, tritt aber viel häufiger auf und erlaubt so die rasche Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen. Und dies schneller als über die normale Vererbung – man erinnere sich an die Kölner Petunien. Damit hätten Züchter ein neues Mittel zur Hand, um Kulturpflanzen den wechselnden Umweltbedingungen anzupassen, zum Beispiel salzige oder trockenen Böden, sagt der Forscher. Seinem Ziel, zur Ertragssicherung der Zukunft beizutragen, ist er ein Stück näher gerückt.

 

Einflussreiche Chemie

Der Begriff Epigenetik ist vom griechischen Wort epigenesis abgeleitet und bezeichnete die Bildung neuer Strukturen im Verlauf der Entwicklung eines Lebewesens. Die Vorsilbe epi- bedeutet «auf», «darüber» und kennzeichnet ein zusätzliches Element zur Genetik. Vor allem Entwicklungsbiologen wie der berühmte Zoologe Ernst Hadorn von der UZH (1902–1976) oder der Engländer Conrad C.Waddington (1905–1975) beschäftigten sich mit dem Thema.

Waddington steht am Anfang eines modernen Verständnisses der Epigenetik, die sich mit der Aktivierung von Genen, der Genexpression, beschäftigt. Epigenetische Modifikationen beeinflussen den Organismus – den Phänotyp – ohne die darunterliegenden Gene, das heisst ihre DNA-Sequenz, zu verändern. Stattdessen bestimmen epigenetische Markierungen, ob ein Gen abgelesen und damit exprimiert wird oder eben nicht.

Wie man unterdessen weiss, funktioniert die Aktivierung von Genen durch einfache chemische Verbindungen (Methylguppen), die an ihre Bausteine – die Nukleotide – angehängt werden. Ihre Entfernung deaktiviert das Gen. Ein zweiter epigenetischer Mechanismus wirkt an Trägermolekülen der DNA, die an die Erbsubstanz DNA binden, den so genannten Histonen. Durch die Bindung verschiedener Moleküle an die Histone lässt sich die Genexpression ebenfalls steuern.

Mit diesen ausgeklügelten Mechanismen steuert die Epigenetik die Genaktivität der DNA im Zellkern. Sie beeinflusst den Genaufbau, der durch die Abfolge der Nukleotide bestimmt ist, nicht. Umwelteinflüsse können epigenetische Aktivierungsmuster verändern. Inwieweit sie vererbt werden, ist je nach Organismus unterschiedlich.

Stefan Stöcklin, Redaktor UZH News

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