Gentechnik zur Ausschaltung der sexuellen Reproduktion

Wissenschaftler haben einen Ansatz gefunden, wie sich Saatgut von Nutzpflanzen marktökonomisch optimieren lassen könnte

Menschen klonen zu wollen, erscheint vielen als verwerflich. Bei Tieren sind die Bedenken weit weniger groß, auch wenn nicht jeder unbedingt Fleisch oder Milch von geklonten Kühen oder Schweinen konsumieren möchte, auch wenn sie für unbedenklich erklärt wurden. Verschwindend gering dürfte der Widerstand sein, wenn es um das Klonen von Pflanzen geht, zumal diese selbst natürlicherweise schon die Möglichkeit besitzen, sich ungeschlechtlich fortzupflanzen. Vegetative Vermehrung nennt man die Entstehung von identischen Kopien einer Pflanze. Wissenschaftler haben nun einen Ansatz gefunden, wie sich möglicherweise einmal Pflanzen gentechnisch herstellen lassen könnten, die sich asexuell als Klone fortpflanzen.

Mitose-ähnliche Teilungen in gentechnisch veränderten MiMe-Pflanzen. Bild: PLoS Biology

Durch Züchtung können sich auch bereits manche Kulturpflanzen nur noch vegetativ durch Klonen vermehren. Ließen sich geklonte Samen herstellen, dann hätte dies enorme Vorteile, da sich so die besten Pflanzen immer wieder identisch reproduzieren ließen, ohne durch die Lotterie der sexuellen Fortpflanzung, bei der die Gene gemischt werden, beeinflusst zu werden. Allerdings könnte damit allmählich die Vielfalt noch stärker als bislang verschwinden, zudem könnten massenhaft angebaute genidentische Kulturpflanzen auch leichter durch Krankheitserreger oder veränderte Umweltbedingungen dahingerafft werden.

Französische und österreichische Wissenschaftler haben nun, wie sie im Open Acces Journal PLoS Biology berichten, eine genetische Möglichkeit gefunden, wie sich die vegetative Vermehrung, die ohne Meiose auskommt und damit die Rekombination des Erbguts umgeht, durch Apomixis im Prinzip für alle Pflanzen erreichen lassen könnte. Das ist ein wichtiger Schritt hin zum Klonen und damit von hohem wirtschaftlichem Interesse, weil durch eine asexuelle Vermehrung mittels Samen, aus denen genidentische Nachkommen wachsen, ein stabiles geklontes Saatgut auch von hochkomplexen Pflanzen auf den Markt gebracht werden kann. Zwar konnte bereits bei einigen hundert Pflanzenarten, die sich sexuell fortpflanzen, Apomixis durch Kreuzung eingebracht werden, aber das ist, so die Wissenschaftler, nur bei wenigen Kulturpflanzen gelungen.

Normale Körperzellen vermehren sich mitotisch durch Verdoppelung der Chromosomenpaare und anschließender Zellteilung, aus der zwei genetisch identische Zellen mit einem vollständigen Chromosomensatz entstehen. Gameten (bei Pflanzen Pollen) haben nur einen Chromosomensatz. Bei der sexuellen Vermehrung verschmelzen weibliche und männliche Gameten zu einer Zygote, die wieder den doppelten Chromosomensatz besitzt. Durch Meiose werden die Chromosomensätze zunächst verdoppelt und dann in zwei Schritten geteilt, wodurch vier Gameten mit jeweils einem Chromosomensatz entstehen. Vor der ersten Teilung findet eine Rekombination der homologen Chromosome statt. Kommt es zu einer Apomeiosis, d.h. zu einer Störung oder Ausschaltung der Meiose, so unterbleibt die zweite Teilung und es entstehen Zellen mit einem doppelten männlichen bzw. weiblichen Chromosomenpaaren.

Die Wissenschaftler haben nun bei Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) ein Gen (AtPS1) gefunden, das den Beginn der zweiten Teilung bei der Meiose kontrolliert. Wird eine Mutation dieses Gens mit zwei anderen Genen - Atspo11-1, das Rekombination und Paarung unterbindet, und Atrec8, das die Trennung der Chromatiden beeinflusst - kombiniert, dann entsteht ein Genotyp, bei dem die Meiose vollständig durch Mitose ersetzt wird. Anstatt der normalerweise vier Zellen entstehen dann zwei. Die Rekombination im ersten Schritt entfällt durch die Gene Atspo11-1 und Atrec8, so dass die erste Teilung einer Mitose gleicht, das Gen osd1 unterbindet die zweite Teilung. Die entstehenden Sporen und Gameten sind genetisch identisch mit der ursprünglichen Zelle. Die Wissenschaftler nennen diesen Genotyp MiMe für "mitosis instead of meiosis".

Links eine Meiose, rechts eine durch das Gen AtPS1 bewirkte Mitose. Bild: PLoS Biology

Werden die Pollen dieses Genotyps befruchtet, so entstehen triploide Pflanzen mit drei Chromosomensätzen. Sie sind also noch keine Klone, sondern unterscheiden sich genetisch von der ursprünglichen Pflanze, aber das Gen AtPS1 ist in allen vorhanden, was bedeutet, dass eine gentechnische Veränderung dauerhaft bleibt. Bei jeder weiteren Generation verdoppeln sich die Chromosomensätze, es entstehen tetraploide und octoploide Gameten, während die Fruchtbarkeit abnimmt. Eine Apomixis kann mit dieser Methode noch nicht gentechnisch hergestellt werden, aber es ist ein wichtiger Schritt dahin. Als nächste Schritte müssten noch die Parthenogenese, also die ungeschlechtliche Fortpflanzung, und die Endospermbildung gentechnisch eingeführt werden. Die Wissenschaftler hoffen jedoch, dass diese Schwierigkeiten überwindbar sein werden, um so eine Revolution in der Verbesserung von Nutzpflanzen durch die Kontrolle der Reproduktionsmechanismen einleiten zu können.

Die Frage bleibt allerdings, ob die Ausschaltung der sexuellen Fortpflanzung, die im Laufe der Evolution erfunden wurde und sich offenbar für komplexere Organismen als sinnvoll erwiesen hat, durch eine Art massenindustrieller Biofertigung von identischen Pflanzen mittel- und langfristig wirklich Erfolg verspricht. Ganz abgesehen einmal davon, welche ökologischen Folgen die massenhafte Verbreitung von geklonten Pflanzen, die sich asexuell fortpflanzen, haben könnte.

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