Viele Pflanzen, aber auch manche Tiere, haben in allen Zellen nicht nur den üblichen doppelten Chromosomensatz mit den entsprechenden ("homologen") Chromosomen von Mutter und Vater. Die Chromosomen liegen bei ihnen in mehrfacher (tri-, tetra-, hexa- oder sogar oktaploider) Ausführung vor. Die Polyploidisierung ist ein natürlich auftretendes Phänomen, wurde aber in der Züchtung der Kulturpflanzen vom Menschen gefördert oder auch gezielt ausgelöst. Zum Beispiel ist der moderne hexaploide Saatweizen aus einer sehr ursprünglichen diploiden, mit dem Einkorn verwandten Sorte und einer tetraploiden Dinkel-Variante enstanden.

Die Entstehungsgeschichte vielfacher Chromosomensätze ist nicht einheitlich. Polyploidisierung kann zum einen auf eine unvollständige Meiose bei der Entstehung der Keimzellen zurückzuführen sein. In diesem Fall enthalten die Kerne von Ei- oder Spermazellen den unreduzierten diploiden Chromosomensatz eines Elternteils statt des sonst üblichen einfachen. Nach der Verschmelzung mit dem Kern einer anderen, haploiden Keimzelle kommt es zu triploiden Nachkommen, beim Zusammentreffen zweier diploider Keimzellen zu tetraploiden. Stammen beide Keimzellen von der gleichen Art, entsteht so Autopolyploidie. Die Bildung von Hybriden zwischen verschiedenen Arten führt oft zu Allopolyploidie, weil sie häufig nur dann erfolgreich ist, wenn beide unterschiedlichen Chromosomensätze nach der Verschmelzung der Keimzellen verdoppelt werden und somit eine symmetrische Konfiguration in der Meiose ermöglichen.

Erhöhte Diversität als Erfolgsfaktor

Polyploide Pflanzen sind häufig größer und kräftiger als ihre diploiden Verwandten. Warum das so ist, könnte unter anderem am größeren und diverseren Genpool liegen, der Individuen möglicherweise anpassungsfähiger macht. Ortrun Mittelsten Scheid und ihr Team am GMI - Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie - wollten es genauer wissen. Sie haben die Rekombination, den Austausch des genetischen Materials zwischen den Chromosomen, von auto- und allopolyploiden sowie diploiden Arabidopsis-Pflanzen verglichen. Die Wissenschaftler(innen) haben dabei besonderes Augenmerk auf die Meiose gelegt - jene Phase, in der sich bereits verdoppelte mütterliche und väterliche Chromosomen in Paaren zusammenfinden, miteinander rekombinieren und schließlich in zwei direkt aufeinanderfolgenden Zellteilungen auf die entstehenden Keimzellen verteilt werden. Ein korrekter Teilungsvorgang erfordert mindestens eine Rekombination pro Chromosomenpaar.

Mit Hilfe eines eleganten Testsystems, das von israelischen Kolleg(inn)en entwickelt wurde und Rekombination auf einem bestimmten Chromosomenabschnitt durch Fluoreszenz in den Samen sichtbar macht (Foto), konnten die Forscher(innen) unter Ortrun Mittelsten Scheids Leitung die Rekombination in diploiden und tetraploiden Arabidopsis-Pflanzen mit sehr großen Stichproben vergleichen. Dabei haben sie festgestellt, dass die Rekombination mütterlicher und väterlicher Eigenschaften bei tetraploiden Pflanzen signifikant häufiger vorkommt als bei Diploiden. Dieser Unterschied ist unabhängig davon, ob sich während der Meiose je zwei mal zwei (bei alloploiden) oder vier (bei autoploiden) homologe Chromosomen zusammenfinden. Zurzeit wird untersucht, ob die Rekombination auch in anderen Teilen des Genoms polyploider Pflanzen erhöht ist. Über die Sicherung der Chromosomensegregation hinaus würde das eine intensivere Durchmischung der väterlichen und mütterlichen Erbanlagen bewirken. Mehr neue genetische Kombinationen in den Nachkommen könnten schnellere Anpassung ermöglichen und zum evolutionären Erfolg polyploider Varianten speziell unter hohem Selektionsdruck beitragen.

"Wir schließen aus unseren statistisch hoch signifikanten Daten, dass der Erfolg polyploider Pflanzen zumindest teilweise auf deren erhöhter Diversität beruhen könnte. Auch für die Entwicklung neuer Sorten in Züchtungsprogrammen ist eine höhere Rekombinationsrate oft vorteilhaft und hilft, Zeit und Kosten zu sparen", fasst Ortrun Mittelsten Scheid zusammen. "Außerdem wissen wir aus früheren Versuchen, dass die Verdopplung eines Genoms auch die epigenetische Variabilität erhöht. Es ist nicht ausgeschlossen, dass genetische und epigenetische Faktoren hier zusammenwirken."

Im Kontext: Doktoratskolleg Chromosomendynamik

Die Erforschung der Chromosomenbiologie und der Zellteilungsregulation ist am Campus Vienna Biocenter, wo auch das GMI der ÖAW beheimatet ist, ein heißes und vielseitiges Forschungsthema. In Kürze startet dort ein gemeinschaftliches Doktoratskolleg des FWF zum Thema "Chromosomendynamik", an dem auch die GMI-Gruppenleiter Ortrun Mittelsten Scheid und Karel Riha teilnehmen. Koordiniert wird das Graduiertenprogramm von Peter Schlögelhofer von den Max F. Perutz Laboratories. Das Programm bietet ausgewählten Doktorand(inn)en unter der Anleitung führender Chromosomenforscher(innen) beste Startbedingungen für eine wissenschaftliche Karriere in einem spannenden und relevanten Forschungsfeld.


Publikation:
Polyploidization increases meiotic recombination frequency in Arabidopsis, BMC Biology 2011, 9:24

•  doi:10.1186/1741-7007-9-24

Kontakt:
Dr. Ortrun Mittelsten Scheid
Senior Group Leader
GMI - Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Dr. Bohr-Gasse 3, 1030 Wien
T +43 1 79044-9101
T (office) +43 1 79044-9830
T (lab) +43 1 79044-9832
ortrun.mittelstenscheid(at)gmi.oeaw.ac.at
www.gmi.oeaw.ac.at


Juni 2012