Forschung enthüllt rapide Mutationsrate von Pflanzengenomen
Eine neue, im Fachmagazin Science veröffentlichte Studie beschreibt, wie ein Forschungsteam die gesamte Genomsequenz einer Pflanze über 30 Generationen hinweg untersucht hat, um die Geschwindigkeit zu ermitteln, mit der genetische Mutationen in Pflanzen auftreten. Die Ergebnisse beleuchten, wie Pflanzen eine Resistenz gegenüber Herbiziden aufbauen, und könnten beispielsweise Anstrengungen unterstützen, dürreresistente Pflanzen zu züchten. Die Studie war Teil des ARELATIVES-Projekts ("Leveraging the genome sequences of two Arabidopsis relatives for evolutionary and ecological genomics"), welches über das EU-finanzierte ERA-Net "Plant Genomics" (ERA-PG) mit 2,2 Millionen EUR gefördert wird. ERA-PG vereint nationale Forschungsförderungsorganisationen aus 17 Ländern und wird über das Sechste Rahmenprogramm (RP6) unterstützt. "Während über die langfristigen Auswirkungen von Genommutationen relativ viel bekannt ist, wussten wir bislang nicht, wie oft in erster Linie neue Mutationen auftreten", sagte Dr. Detlef Weigel, ein Direktor am deutschen Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, der die Studie gemeinsam mit Kollegen der US-amerikanischen Indiana University leitete. Der Vergleich der Genome von Pflanzen- und Tiergattungen gilt heutzutage als ein geläufiges wissenschaftliches Verfahren. Das Forschungsteam erweiterte diesen Schritt jedoch, indem es über 30 Generationen hinweg alle genetischen Veränderungen bei fünf Unterarten der Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (auch bekannt als Acker-Schmalwand bzw. Schotenkresse) untersuchte. Das Ziel bestand darin, die Unterschiede zwischen dem Genom der Endgeneration und dem Genom der ersten Generation zu identifizieren. Im Rahmen der Forschungsarbeit fand man heraus, dass im Laufe mehrerer Jahre bei jeder der 5 Arabidopsis-Unterarten 20 DNA-Bausteine (auch Basenpaare genannt) mutierten. "Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer einzigen Generation ändert, liegt somit bei 1:140 Millionen", erklärte Professor Michael Lynch von der Indiana University. Faktisch bedeutet dies, dass jeder Arabidopsis-Sämling über durchschnittlich eine neue Mutation in jeder der beiden neuen, von seinen Elternpflanzen geerbten Kopien des Genoms verfügt. Das Auffinden dieser winzigen Abwandlungen stellte eine überaus mühsame Arbeit für das Team dar, welches dabei jeden Buchstaben in jedem Genom 30 Mal prüfen musste. Dr. Weigel sagte: "An welcher Stelle genau sich das Genom verändert hat, konnten wir nur dank neuer Methoden herausfinden, mit denen es uns gelang, das gesamte Genom hochpräzise und innerhalb äußerst kurzer Zeit zu screenen." Die Studie verdeutlichte dem Team die enorme Veränderlichkeit von Genomen. Obschon die Anzahl der Mutationen innerhalb der Arabidopsis-Pflanzen gering schien (in einer Gruppe von 60 Millionen Arabidopsis-Pflanzen veränderte sich jeder Buchstabe in den Genomen durchschnittlich ein Mal), erscheint in Anbetracht dessen, dass die Pflanze in einer Generation Tausende Samen produziert, die Mutationsgeschwindigkeit doch beachtlich. Anhand der Forschungsergebnisse können Wissenschaftler nun besser berechnen, wann sich unterschiedliche Spezies abspalten. So besitzen beispielsweise A. thaliana und ihre engste Verwandte, Arabidopsis lyrata, zahlreiche unterschiedliche Merkmale, wie Lebensspanne und Art der hervorgebrachten Blüten. Frühere Studien nahmen an, dass sich diese Spezies vor 5 Millionen Jahren abspaltete, neue Forschungen zeigen nun jedoch, dass dies eventuell bereits vor 20 Millionen Jahren geschehen ist. Die Forschungsergebnisse besitzen unzählige Vorteile, darunter ein besseres Verständnis, warum und wie Pflanzen eine Resistenz gegenüber Herbiziden aufbauen und wie Pflanzenzüchter Genommutationen feststellen und folglich den Ertrag steigern oder Pflanzen dürreresistenter machen können. Das Team deutet an, dass die Genommutation beim Menschen mindestens so schnell vonstattengeht wie bei Pflanzen. Professor Lynch sagte: "Überträgt man unsere Resultate auf den Menschen, dann besitzt jeder von uns etwa 60 neue Mutationen, die bei unseren Eltern noch nicht vorhanden waren. Bei mehr als 6 Milliarden Menschen auf unserem Planeten bedeutet dies, dass im Durchschnitt jeder Buchstabe des menschlichen Genoms bei Dutzenden Mitbürgern verändert ist. Alles genetisch Mögliche wird in Kürze getestet."
Länder
Deutschland, Vereinigte Staaten