Die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana ist klein, unscheinbar und bei Pflanzengenetiker/innen sehr beliebt. Ein enormer Grundstock an Wissen über diese Pflanzenart ist bereits vorhanden. Und so kann man sich mit ihrer Hilfe an komplexe Themen herantasten, wie etwa der Mikroevolution lokal angepasster Varianten. Arabidopsis th. tritt beispielsweise in Varianten auf, denen Kälte nichts ausmacht; andere benötigen hingegen wärmere Bedingungen um zeitgerecht zu keimen, zu wachsen und Samen zu produzieren. Die regionalen Varianten unterscheiden sich zwar teilweise in ihrem genetischen Grundgerüst, diese Unterschiede können jedoch nicht alle Prozesse der Anpassung an lokale Bedingungen erklären. Deshalb liegt die Vermutung nahe, dass bei der Anpassung an die heimatlichen Bedingungen auch  andere, sogenannte „epigenetische“ Regulationsmechanismen eine entscheidende Rolle spielen.

Für Magnus Nordborg, Populationsgenetiker und Direktor des GMI – Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie – lag es nahe, den wichtigsten epigenetischen Mechanismus der DNA-Methylierung genauer ins Visier zu nehmen. Das ist ein Prozess, der bei Mensch und Tier Gene dann stillgelegt, wenn ihre Produkte im Entwicklungszyklus nicht benötigt werden. Bei Pflanzen aber sind die Zusammenhänge komplexer. Die epigenetische Regulation via DNA-Methylierung ist zwar eng mit dem Entwicklungszyklus verbunden, wird aber, wie Nordborg jüngst publizierte, ihrerseits von äußeren, den lokalen Umweltbedingungen, beeinflusst. Der Populationsgenetiker und sein Team am GMI konnten in Kooperation mit internationalen Kolleg/innen erstmals eine direkte Verbindung zwischen DNA-Methylierung und Anpassung an die Umwelt belegen.

Mini-Evolution am Standort
Magnus Nordborg und seine Kolleg/innen haben Samen von Arabidopsis th. von 150 verschiedenen Standorten in Schweden – vom vergleichsweise warmen Süden bis hinauf in den kalten Norden – unter kontrollierten Bedingungen zum Keimen und Wachsen gebracht. Die Forscher/innen testeten die unterschiedlichen Pflanzen unter verschiedenen Umweltbedingungen. Hierbei wurden sowohl kalte als auch warme Wachstumsbedingungen simuliert. Schließlich ernteten sie Blätter eines bestimmten Entwicklungsstadiums und analysierten sie nach allen Regeln der Populationsgenetik: Mit genomweiten Studien bekommt man wichtige Hinweise auf das Zusammenwirken einzelner Gene bzw. Genregionen; oder mit Next Generation Sequencing erkennt man, welche Gene tatsächlich methyliert wurden und in welchem Ausmaß bereits RNA als erstes Ableseprodukt der Gene vorhanden ist. „In der Populationsgenetik geht es uns darum, Unterschiede auf jedem Level quantitativ zu erfassen und die Beziehungen mit statistischen Methoden zu bewerten. So lernen wir nach und nach, wie sich DNA-Unterschiede zwischen Individuen oder auch zwischen lokalen Gruppen in sichtbare Unterschiede übersetzen, und wie dieser Prozess durch die Umwelt beeinflusst wird – wie also Evolution im Kleinen stattfindet“, fasst Nordborg zusammen.

Unerwartete Antworten und neue Fragen
Was führte nun dazu, dass die Varianten meist eine deutliche Vorliebe für die Wachstumsbedingungen der Region ihrer Vorfahren haben? Ein geändertes Methylierungsmuster zieht tatsächlich eine differenzielle Genexpression nach sich. „Die Sache ist allerdings komplexer als zunächst vermutet“, gibt Nordborg zu.  Zum einen gibt es bei Arabidopsis th. mehrere Andock-Möglichkeiten für die chemische Modifikation der DNA. Eine davon reagiert auf aktuelle Wachstumstemperaturen, eine weitere, die „Gene Body Methylation“, welche  in diesem Zusammenhang noch wichtiger scheint, korreliert mit der Herkunftsregion. Diese Art der Modifikation bewirkt aber nicht, wie erwartet, eine Stilllegung der Gene, sondern eine Steigerung der Genexpression, die einen erhöhten Anteil an RNA mit sich bringt. „Möglicherweise handelt es sich dabei um eine Art Vorrat an RNA für Proteinsynthese unter schwierigeren Bedingungen. Es bleibt zu prüfen, ob die Anpassung an lange kalte Winter die Wirkung der Methylierung geradezu in ihr Gegenteil verkehren kann. Das würde bedeuten, dass noch weitere Gene bzw. Regulierungsmechanismen am Werk sind“, gibt Nordborg vor, welchen Aspekten weiterführende Forschungen gewidmet sein werden.

eLife-Publikation