Genetischer Austausch trifft ungewöhnliches Chromosomendesign

André Marques und sein Team erforschen, wie Chromosomen funktionieren und den Austausch genetischer Informationen während der Meiose in Pflanzen steuern.

Hohe Erträge, guter Geschmack, Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten – all das sind Eigenschaften, die wir uns von Nutzpflanzen wünschen. Ziel der Pflanzenzüchtung ist es deshalb, möglichst viele dieser positiven Merkmale in einer einzigen Pflanze zu vereinen.

Schon Gregor Mendel, der Vater der Vererbungslehre, vermutete im 19. Jahrhundert, dass Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden. Doch moderne Pflanzenzüchter:innen stehen heute oft vor einem Problem: Manche Gene für erwünschte oder unerwünschte Eigenschaften liegen in Chromosomenregionen, in denen kein genetischer Austausch stattfindet – sie liegen also in “blockierten” Bereichen.

Vielfalt durch DNA-Vermischung

Ein biologischer Prozess, der genetische Vielfalt ermöglicht, ist die Meiose – eine besondere Form der Zellteilung, die bei geschlechtlich fortpflanzenden Lebewesen stattfindet. Obwohl sie seit Jahrmillionen existiert, birgt sie noch immer großes Potenzial, um gezielt neue genetische Kombinationen zu erzeugen – ein wertvolles Werkzeug für die Pflanzenzüchtung.

In jeder Zelle liegt die DNA als dicht gepackte Struktur vor, die zusammen mit Proteinen ein Chromosom bildet.Diese Chromosomen haben meist die bekannte X-Form, die auf eine spezielle Verbindungsstelle, das Zentromer, zurückzuführen ist. Das Zentromer dient als Verbindung zwischen zwei identischen Kopien des Chromosoms, den sogenannten Schwesterchromatiden, die bei der DNA-Replikation entstehen.

Während der Meiose treffen homologe Chromosomen – also jeweils eines von jedem Elternteil – aufeinander und tauschen genetisches Material aus. Dieser Prozess, bekannt als Crossing-over, sorgt dafür, dass Gene neu kombiniert werden und jedes Individuum eine einzigartige genetische Ausstattung erhält.

Allerdings findet das Crossing-over nicht gleichmäßig über das gesamte Chromosom hinweg statt: Besonders nahe am Zentromer kommt es nur selten vor – ein Phänomen, das als Zentromereffekt bekannt ist. Es deutet darauf hin, dass das Zentromer selbst die Häufigkeit und Verteilung des genetischen Austauschs beeinflusst.

Doch wie genau funktioniert das?

Chromosomen mit Hunderten von Zentromeren

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, untersucht das Team eine ungewöhnliche Pflanze: die Schnabelriede (Rhynchospora spp.) – ein grasähnliches Gewächs, das sich hervorragend als Modellorganismus eignet.

Anders als die meisten Pflanzen, die ein einziges zentrales Zentromer besitzen (monozentrisch), haben die Chromosomen der Schnabelriede Hunderte davon, verteilt über ihre gesamte Länge. Man nennt das holozentrisch.

Das Team fand heraus, dass Gene in holozentrischen Chromosomen gleichmäßiger über das gesamte Chromosom verteilt sind als in monozentrischen Chromosomen, wo sich Gene häufig weiter entfernt vom Zentromer befinden.

Außerdem scheinen sich die Chromosomen im Zellkern stärker voneinander abzuschirmen – sie belegen eigene „Räume“. Das beeinflusst nicht nur, wo Gene liegen, sondern auch, wie Chromosomen während der Meiose miteinander interagieren.

Crossing-over neu gedacht

Um zu verstehen, wie sich Gene in holozentrischen Chromosomen neu kombinieren, erstellte das Forschungsteam eine Rekombinationskarte, die zeigt, wo Crossing-over stattfindet.

Dabei konnten sie ausschließen, dass das Vorhandensein eines einzelnen zentralen Zentromers – wie bei monozentrischen Chromosomen – oder deren typische Struktur entscheidend ist. Tatsächlich traten Crossing-over-Ereignisse in holozentrischen Chromosomen auch in der Nähe der vielen Zentromere auf, etwas, das bei monozentrischen Pflanzen normalerweise nicht vorkommt.

Doch überraschend war: Die Mischung der Gene ist auch hier nicht völlig gleichmäßig. Besonders oft geschieht Crossing-over an den Chromosomen-Enden. Marques und sein Team vermuten daher: Entscheidend ist nicht das Zentromer selbst, sondern wie die Chromosomen sich im Zellkern räumlich organisieren und zusammenfinden.

Perspektive: Genaue Steuerung des Genaustauschs

Das Team will nun die Gene identifizieren, die in holozentrischen Pflanzen das Crossing-over auch in der Nähe von Zentromeren ermöglichen.

Das langfristige Ziel: Dieses Wissen auf monozentrische Nutzpflanzen übertragen. Wenn es gelingt, den Genaustausch in bisher „blockierten“ Regionen zu aktivieren, könnten Pflanzenzüchter günstige und ungünstige Eigenschaften unabhängiger voneinander kombinieren – ein wichtiger Schritt für die Pflanzenzüchtung der Zukunft