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Pflanzen tauschen untereinander Chloroplasten aus

Forscher entdecken neue Form des horizontalen Gentransfers bei Gefäßpflanzen

Chloroplasten
Die Chloroplasten der Pflanzen enthalten eine eigene DNA - und können zwischen verschiedenen Pflanzen übertragen werden.© Alan Phillips/ iStock

Überraschende Entdeckung: Pflanzen können untereinander Erbgut und ganze Chloroplasten austauschen – einfach durch direkten Zellkontakt, wie Beobachtungen enthüllen. Bei diesem horizontalen Gentransfer bilden sich Poren in den angrenzenden Zellwänden, durch die die Chloroplasten samt ihrer Genfracht hindurchwandern. Dafür nehmen sie eigens eine besonders schmale, amöbenähnliche Form an, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Science Advances“, berichten.

Normalerweise geben Pflanzen ihr Erbgut über Samen oder vegetative Ausläufer an ihre Nachkommen weiter. Doch es gibt noch einen anderen Weg, zwischen verschiedenen Pflanzenindividuen und sogar Pflanzenarten Gene auszutauschen: den horizontalen Gentransfer. Dieser kann stattfinden, wenn zwei Pflanzen miteinander verwachsen oder wenn der Mensch eine Pfropfung durchführt – er setzt dabei einen Zweig einer Sorte in eine Kerbe im Stamm der zweiten. Als Folge eines solchen Genaustauschs können neue Sorten oder sogar Pflanzenarten entstehen.

Pfropfung
Eine natürliche Pfropfung zwischen Buche und Ahorn (links) und eine Pfropfung zwischen zwei Tabaksorten im Gewächshaus. © MPI für molekulare Pflanzenphysiologie/ Nature 511

Wie wird die DNA übertragen?

Doch wie läuft dieser horizontale Gentransfer bei Blütenpflanzen ab? „Bisher war völlig unbekannt, wie das Erbgut physikalisch von Zelle zu Zelle gelangt: Ob es dabei als freie DNA-Moleküle oder eingekapselt in Zellorganellen ausgetauscht wird“, erklären Alexander Hertle und seine Kollegen vom Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam. Deshalb haben sie dies nun bei Pfropfungsexperimenten mit Tabakpflanzen untersucht.

Für ihre Studie schleusten die Forscher verschiedene Fluoreszenzgene in die DNA der Tabakpflanzen ein. Deren farbiges Leuchten ermöglichte es ihnen, die DNA-haltigen Zellkerne, die Mitochondrien und Chloroplasten zu orten – bei Pflanzen enthalten alle drei Zellorganellen eigene DNA-Anteile. Mithilfe verschiedener Mikroskopieverfahren beobachteten Hertle und sein Team dann, was sich an der Pfropfungsstelle auf zellulärer Ebene tat.

Poren, Ausstülpungen und amöboide Chloroplasten

Das überraschende Ergebnis: Die miteinander verbundenen Pflanzen bilden an der Kontaktstelle direkte „Tore“ zwischen angrenzenden Zellen aus. Dabei entstehen zunächst Poren in den Zellwänden des frischen Wundgewebes, durch die dann Ausstülpungen von Zellplasma bis in die Nachbarzelle hineinragen. „Diese Ausstülpungen wuchsen aus Poren von rund 1,5 Mikrometer Durchmesser heraus und deuten auf die Bildung von interzellulären Verbindungen hin“, so die Forscher.

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Noch erstaunlicher aber war, was dann geschah: Die normalerweise prall mit dem Pflanzenfarbstoff Chlorophyll und Thylakoidmembranen gefüllten Chloroplasten dieser Zellen begannen ihre Form zu verändern. Sie verloren einen Teil ihres Inhalts und verkleinerten sich zu stäbchenartigen, mobilen Gebilden. „Mit einem Durchmesser von nur noch rund einem Mikrometer passten diese kleinen Plastiden durch die Verbindungsporen in den Zellwänden, während normale Chloroplasten zu groß sind“, berichten Hertle und seine Kollegen.

Wie kleine Amöben wandern die umgewandelten Chloroplasten durch die Zellwandporen und gelangen so von einer Pflanze zur anderen. „Wir konnten beobachten, dass in beide Richtungen ein Genomtransfer von Zelle zu Zelle stattfindet und zwar nicht nur selten, sondern mit hoher Frequenz“, erklärt Hertle. „Das Genom wandert dabei nicht frei, sondern eingekapselt von Zelle zu Zelle.“

Neuer Weg des Gentransfers bei Pflanzen

Damit haben die Forscher einen neuen Weg für den Genaustausch bei Pflanzen aufgedeckt. „Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass dieser horizontale Gentransfer durch die Zelle-zu-Zelle-Übertragung ganzer Organellen stattfindet“, berichten Hertle und sein Team. Sie schließen nicht aus, dass auf diesem Wege nicht nur Chloroplasten von einer Pflanze zur anderen gelangen könne, sondern auch Mitochondrien und vielleicht sogar ganze Zellkerne samt ihrer DNA-Fracht.

Diese Art des Gentransfers könnte auch erklären, wie und warum es in vielen Pflanzengruppen Arten gibt, die zusätzlich zu ihrem eigenen Chromosomensatz auch Chromosomen anderer Arten in sich tragen. Eine solche Allopolyploidie liegt auch bei vielen wichtigen Kulturpflanzen wie Brot- und Hartweizen, Hafer, Baumwolle, Raps, Kaffee und Tabak vor. (Science Advances, 2021; doi: 10.1126/sciadv.abd8215)

Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie

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