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Originalveröffentlichungen

Chaoying He and Heinz Saedler
Heterotopic expression of MPF2 is the key to the evolution of Chinese lantern of Physalis, a morphological novelty in Solanaceae

Wandelfreudige Blütenarchitektur

Ein Prinzip der Evolution morphologischer Neuheiten im Pflanzenreich haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln entdeckt.

13. April 2005

Der Entstehung der ungewöhnlichen Hüllstruktur von Physalis, der so genannten chinesischen Laterne aus der Familie der Nachtschattengewächse sind Forscher des Kölner Max-Planck-Instituts für Züchtungsforschung jetzt nachgegangen. Nachtschattengewächse (Solanaceen) sind besonders reich an evolutionären Neuheiten. Mit ihrer Studie konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ausprägung des Gens MPF2 und die Funktionsweise des zugehörigen Transkriptionsfaktors in den Blüten von Physalis der Grund für ihre ungewöhnliche architektonische Form ist. Mit ihren Untersuchungen haben die Max-Planck-Molekularbiologen die Entstehung morphologischer Neuheiten im Pflanzenreich - ein uraltes Phänomen der Evolutionsbiologie - beispielhaft untersucht. (PNAS, 11. April 2005).

Fast jährlich findet man auf Blumenmärkten neue Farb- und Formvarianten der verschiedensten Pflanzenfamilien. Viele dieser Züchtungen erfreuen sich allgemeiner Beliebtheit und finden reißenden Absatz. Das uralte Phänomen der Evolutionsbiologie, die Entstehung morphologischer Neuheiten, rückt in den letzten Jahren nun auch zunehmend ins Zentrum der Forschungsaktivitäten von Molekularbiologen.

Die Kölner Molekularbiologen Chaoying He und Heinz Saedler vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung haben jetzt die Evolution einer neuen Blüten-Architektur bei Physalis, der so genannten chinesischen Laterne aus der Familie der Nachtschattengewächse (Solanaceen) untersucht und sind der Entstehung ihrer ungewöhnlichen Hüllstruktur nachgegangen. Die Solanaceen umfassen mehr als 3500 Arten, Tomaten, Kartoffeln, Paprika, Auberginen und Physalis gehören zu ihnen. "Nachtschattengewächse sind reich an evolutionären Neuheiten, Physalis ist ein sehr anschauliches Beispiel dafür", erklärt Heinz Saedler. Eine ballonartige Hülle gibt nach der Reifung eine orangefarbene Beere frei. Liebhaber von kalten Buffets schätzen sie als Verzierung auf dem Essen. Neben ihren optischen Vorzügen ist die Beere auch außergewöhnlich reich an Nährstoffen und kann bedenkenlos verzehrt werden.

Physalis alkekengi Bild vergrößern
Physalis alkekengi

Physalis gehört zu den höheren Pflanzen. Blüten höherer Pflanzen umfassen vier Kreise von Organen. Alle Organe werden in der Blütenknospe zunächst fest von den Kelchblättern (Sepalen) umhüllt, die sich später jedoch öffnen und die Kronblätter (Petalen), die der Anlockung von Befruchtern (z.B. Insekten und Vögel) dienen, freigeben. Die männlichen Staubblätter (Stamen) und die weiblichen Fruchtblätter (Karpellen) folgen in den inneren Organkreisen. Neuheiten können in allen Organkreisen entstehen. Besonders leicht zu erkennen sind architektonische Veränderungen jedoch sowohl bei den Kron- als auch bei den Kelchblättern. "Morphologische Neuheiten entstehen durch Veränderungen in Entwicklungsprozessen", sagt Heinz Saedler. Für die Entstehung der Laterne von Physalis bedeutet dies, dass die Kelchblätter (Sepalen) nach der Befruchtung wieder zu wachsen beginnen und letztendlich die reife Frucht einhüllen. Die Molekularbiologen nennen dieses Merkmal auch Inflated-Calyx-Syndrome (ICS).

Um den Ursachen des Inflated-Calyx-Syndrome auf den Grund zu gehen, verglichen die Molekularbiologen Physalis mit der Kartoffel. Beide stammen aus der Familie der Solanaceen, sind also nahe miteinander verwandt. Die Unterschiede in der Blüten- und Fruchtbildung sind nur wenig, aber charakteristisch verschieden ausgeprägt. Die Wissenschaftler vermuteten aufgrund früherer Studien, dass ein MADS-box-Transkriptionsfaktor bei der Entstehung des ICS bei Physalis beteiligt sein muss. In Pflanzen gibt es allein mehr als einhundert MADS-box-Faktoren, die - meist in Kombination - die Expression bestimmter Gene steuern. So ist etwa eine bestimmte Kombination von MADS-box-Proteinen z.B. für die Identität eines Organs in Physalis verantwortlich. Dies haben die Kölner Forscher bereits vor ein paar Jahren in einem Modell veranschaulicht.

Ein Vergleich der Ausprägung der Gene MPF2 bei Physalis und dem entsprechenden Gen STMADS16 in der Kartoffel, die beide einen MADS-box-Transkriptionsfaktor kodieren, führte die Kölner Forscher schließlich auf die richtige Spur. In der Kartoffel wird STMADS16 nur im vegetativen Gewebe ausgeprägt. Im Gegensatz hierzu wird die Expression von MPF2 in Physalis, auch in floralen Geweben beobachtet. Durch einen gentechnologischen Eingriff, der so genannten RNAi-Methode, bei der man Gene gezielt ausschaltet, konnte die Funktion von MPF2 in Physalis stark reduziert werden. Dies hatte drastische Konsequenzen: Die transgenen Pflanzen hatten kleinere Blätter, bildeten keine Laternen (ICS) mehr aus und waren männlich steril. Daraus schlossen die Molekularbiologen, dass MPF2 offensichtlich sowohl für die Ausbildung normaler Blätter wie auch von ICS benötigt wird. Ferner scheint MPF2 auch ein Bestandteil des männlichen Fertilitätsprogramms zu sein.

Anschließend gingen die Wissenschaftler der Ursache für die ungewöhnliche Ausprägung von MPF2 in den floralen Organen von Physalis auf den Grund. Erbgut-Sequenzanalysen der Promotoren, also der Schaltstellen von Genen, von STMADS16 und MPF2 zeigten, dass die beiden Kontrollsegmente völlig unterschiedlich sind. Dies macht die unterschiedliche Expression der beiden Gene in Kartoffeln und Physalis verständlich. MPF2 stimuliert die Zellteilung in Blättern und in Sepalen bei gleichzeitiger Reduzierung der Zellgröße. Dies konnte überzeugend in transgenen Kartoffel-Pflanzen, in denen MPF2 auch in Blütenorganen ausgeprägt wurde, bestätigt werden. Ihre stark vergrößerten Sepalen wiesen viele kleine Zellen auf.

Damit konnten die Kölner Forscher nachweisen, dass die Nutzung eines existierenden Transkriptionsfaktors und seine Integration in einen anderen Kontext die Evolution von ICS in Physalis beinflusst. Dies stellt möglicherweise ein Prinzip der Evolution morphologischer Neuheiten im Pflanzenreich dar.

 
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