Links Blüten der Leierblatt-Felsenkresse (Arabidopsis lyrata), rechts die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die beiden eng miteinander verwandten Pflanzenarten unterscheiden sich erheblich in der Anzahl ihrer Gene.

Foto: Ya-Long Guo/MPI für Entwicklungsbiologie

Man sollte annehmen, dass zwei eng miteinander verwandte Pflanzenarten auch über ähnliche genetische Baupläne verfügen. Doch nun haben deutsche Wissenschafter zusammen mit einem internationalen Forscherteam erstmals das gesamte Erbgut der Leierblatt-Felsenkresse entschlüsselt, einer nahen Verwandten der Modellpflanze der Genetiker, der Ackerschmalwand. Die Forscher stellten fest, dass das Genom der Leierblatt-Felsenkresse um die Hälfte größer ist als das der Ackerschmalwand.

Die Unterschiede haben sich in evolutionär recht kurzer Zeit herausgebildet. Mit der neuen, qualitativ hochwertigen Genomanalyse ist die Basis gelegt für weitere detaillierte Vergleichsstudien zur Funktion, Ökologie und Evolution der Pflanzengattung Arabidopsis.

Die Größe des Genoms variiert bei verschiedenen Arten im Pflanzenreich stark. Als Extreme des bisher bekannten Spektrums nennen Wissenschafter die Einbeere (Paris), deren Genom gut tausendfach so umfangreich ist wie das der fleischfressenden Reusenfalle (Genlisea). Doch ist die Verwandtschaft so weitläufig, dass sich kaum feststellen lässt, welche Kräfte der Evolution im Einzelnen gewirkt haben.

Bestuntersuchten Blütenpflanze

Daher haben Forscher aus der Abteilung Molekularbiologie von Detlef Weigel am Max-Planck-Institut (MPI) für Entwicklungsbiologie in Tübingen zusammen mit einem internationalen Forscherteam eine Art aus dem engen Umfeld der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), der wohl bestuntersuchten Blütenpflanze in der Genetik, für Evolutionsuntersuchungen ausgewählt. Die Wahl fiel auf die Leierblatt-Felsenkresse (Arabidopsis lyrata), die sich, anders als die Ackerschmalwand, nicht selbst befruchten kann. "Ackerschmalwand und Leierblatt-Felsenkresse hatten noch vor rund zehn Millionen Jahren einen gemeinsamen Vorfahren, dann trennten sich ihre Entwicklungslinien", erklärt Ya-Long Guo vom MPI für Entwicklungsbiologie.

Das Genom der Ackerschmalwand ist schon seit längerem vollständig entschlüsselt: Es umfasst eine Folge von 125 Millionen Basenpaaren. Darunter sind 27.025 Gene, die sich auf fünf Chromosomen verteilen. Die Sequenzierung des Genoms eines nordamerikanischen Stamms der Leierblatt-Felsenkresse ergab nun für diese Art eine um mehr als die Hälfte längere Basenfolge, nämlich 207 Millionen Buchstaben. Allerdings gehen die Wissenschafter davon aus, dass diese Buchstabenfolgen nicht in allen Bereichen sinnvolle "Wörter und Texte" ergeben, dass also die Zahl der Gene sich zwischen den beiden Arten der Kreuzblütengewächse nicht ganz so stark unterscheidet: rund 32.670 Gene sind es bei der Leierblatt-Felsenkresse - verteilt auf acht Chromosomen.

Vorteile durch kleineres Genom

Die Wissenschaftler haben festgestellt, dass an einigen Stellen des Ackerschmalwandgenoms umfangreiche Teile entfallen sind. Doch der größere Teil der Unterschiede im Umfang des Genoms kommt durch Hunderttausende von kleinen Kürzungen zustande, die meist in Bereichen zwischen den Genen oder in beweglichen genetischen Elementen, den Transposons, aufgetreten sind. Bei der natürlichen Auswahl der Individuen, die sich besonders erfolgreich fortpflanzen scheint ein kleineres Genom Vorteile zu haben. Dafür spricht zum Beispiel dieses Detail der neuen Ergebnisse: Durch Selektion scheinen bei der Ackerschmalwand vor allem solche Transposons eliminiert zu werden, die negativ auf die umliegenden Gene wirken.

Nach Erkenntnissen der Wissenschafter gehen auch aktuell weiterhin Elemente aus dem Genom der Ackerschmalwand verloren. "Wir gehen davon aus, dass bei der Leierblatt-Felsenkresse die genetische Ausstattung der gemeinsamen Vorfahren weitgehend erhalten geblieben ist, auch sie hatten acht Chromosomen. Die Ackerschmalwand mit ihrem schlankeren Genom sehen wir als in der Evolution abgeleitete Form an", sagt Ya-Long Guo. Mit der Analyse haben die Forscher die Voraussetzungen für weitere Erkenntnisse darüber geschaffen, wie die Evolution auf der Ebene der Gene und Moleküle bei Pflanzen wirken kann. (red)