DNA-„Schmuggel“ nachgewiesen: Dr. Yanbo Mao, Professorin Rita Groß-Hardt und Dr. Thomas Nakel von der Universität Bremen.  Jonas Ginter / InnoWi
DNA-„Schmuggel“ nachgewiesen: Dr. Yanbo Mao, Professorin Rita Groß-Hardt und Dr. Thomas Nakel von der Universität Bremen. Jonas Ginter / InnoWi

Mit einer neuen aufsehenerregenden Studie ist dem Team um die
Molekulargenetikerin Rita Groß-Hardt von der Universität Bremen der
Nachweis gelungen, dass man im Reproduktionsprozess von Pflanzen Erbgut an
„Qualitäts-Checkpunkten“ vorbeischmuggeln kann. Das Forschungsergebnis der
Bremer Arbeitsgruppe ist unter anderem für die Landwirtschaft der Zukunft
von hoher Relevanz, weil mit diesem Wissen künftig auch weiter entfernte
Arten miteinander gekreuzt werden könnten.

Vater, Mutter, Kind: Das ist die klassische Fortpflanzungsstrategie in der
Natur, sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen. Zumindest für die
Pflanzenwelt gelten seit 2017 andere Regeln – denn in diesem Jahr wies die
Arbeitsgruppe der Molekularbiologin Rita Groß-Hardt nach, dass Pflanzen
drei Eltern haben können: eine Mutter und zwei Väter. Das Team der
Universität Bremen hatte mit dem Forschungsergebnis für viel Aufsehen in
der Fachwelt gesorgt.

Nun hat die Arbeitsgruppe mit Dr. Yanbo Mao als Erstautorin eine weitere
bemerkenswerte Arbeit nachgelegt. Das angesehene britische
Wissenschaftsjournal eLife hat soeben ihre neue Studie veröffentlicht, in
der nachgewiesen wird, dass Pflanzen Erbgut an DNA-Kontrollpunkten vorbei
schmuggeln können. „Pflanzenzüchter streben danach, die guten
Eigenschaften von zwei verschiedenen Pflanzen durch Kreuzung zu vereinen.
Man spricht dabei von Hybridisierung“, erläutert Rita Groß-Hardt. „Diese
Hybridisierung hat aber Grenzen: Wenn die beiden Pflanzen nur entfernt
miteinander verwandt sind, funktioniert die Kreuzung oftmals nicht. Das
ist ähnlich wie in der Tierwelt, wo ein Hirsch und ein Pferd ja auch keine
Nachkommen zeugen können.“

DNA-Qualität wird permanent überprüft

Doch wer entscheidet, ob es mit der Pflanzenkreuzung klappt? „In der
Pflanze wird an verschiedenen Stellen überprüft, ob die Gene des Vaters
verwandt genug mit denen der Mutter sind“, erklärt die Molekularbiologin.
„Diese Barrieren liegen nicht nur in der Eizelle. Viel kritischer ist,
dass das Erbgut auch durch das umgebende Nährgewebe muss. Dieses führt
eine regelrechte Qualitätskontrolle durch und prüft die DNA hinsichtlich
Chromosomenzahl und Verwandtschaftsgrad. Wenn die DNA des Vaters dieser
Prüfung nicht standhält, stirbt der Same ab.“

Soweit der Normalfall. Die Forscherinnen und Forscher aus Bremen wiesen
schon 2017 nach, dass in seltenen Fällen mehr als eine Spermazelle mit
einer Eizelle verschmelzen kann. „Dann spricht man von Polyspermie“, so
Groß-Hardt. Wenn die beiden Spermazellen von zwei verschiedenen Vätern
kommen, haben die Nachkommen drei Eltern.

„Heimlich“ in die nächste Generation

„Was unser Team – allen voran Yanbo Mao – nun herausgefunden hat: Während
die DNA des ersten Vaters durch die Qualitätskontrolle des Nährgewebes
muss, kann das Erbgut des zweiten Vaters an diesem Kontrollpunkt
vorbeigeschleust werden.“ Polyspermie bietet so die Möglichkeit,
zusätzliches väterliches Erbgut förmlich „in die nächste Generation zu
schmuggeln.“

Die aktuellen Forschungsergebnisse erweitern nicht nur in erheblichem Maße
das Verständnis um die Fortpflanzung der Pflanzen – sie können
mittelfristig auch Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben. „Unser
Planet verändert sich schneller, als uns lieb sein kann. Die
konventionelle Pflanzenzucht kommt mit den starken Veränderungen durch den
Klimawandel nicht hinterher“, erläutert die Forscherin. „Wir benötigen
dringend Pflanzen mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit beispielsweise
gegen Trockenheit und Hitze. Wenn wir jetzt durch unsere
Forschungsergebnisse einige Hybridierungsbarrieren umgehen und dadurch
auch die positiven Eigenschaften von weiter entfernten Arten nutzbar
machen können, wäre das ein Beitrag für die landwirtschaftlichen
Herausforderungen der Zukunft.“ Mittlerweile kooperiert die Uni-
Forschungsgruppe mit KWS SAAT SE & Co. KGaA, dem größten Saatguthersteller
Europas.

Patentanmeldung für Europa, die USA und China

Der Nachweis der beschriebenen Vorgänge auf molekulargenetischer Ebene ist
aufwändige Arbeit, weil dazu neue Verfahren kreiert werden mussten. Die
Arbeitsgruppe von Rita Groß-Hardt entwickelte ein molekularbiologisches
Werkzeug, bei dem der Same, der das genetische Material von zwei Vätern
enthält, eine andere Samenfarbe annahm als der „normale“ Samen. So ließ er
sich eindeutig identifizieren. Das an der Universität Bremen entwickelte
Verfahren der „Drei-Eltern-Kreuzung“ wurde mittlerweile für Europa, die
USA und China zur Patentierung eingereicht, wobei die bremische
Patentverwertungsagentur InnoWi an der schutzrechtlichen Sicherung und
Vermarktung der wissenschaftlichen Ergebnisse mitwirkte.

Gefördert werden die Forschungen von Rita Groß-Hardt schon seit 2015 durch
den Europäischen Forschungsrat (englisch European Research Council / ERC).
Er sprach der Wissenschaftlerin den mit rund zwei Millionen Euro
ausgestatteten renommierten „ERC Consolidator Grant“ zu, für den sie sehr
dankbar ist: „Diese Förderung erlaubt uns, mit unserer Forschung Neuland
zu betreten.“

Weitere Informationen:

Yanbo Mao, Alexander Gabel, Thomas Nakel, Prisca Viehöver, Thomas Baum,
Dawit Girma Tekleyohans, Dieu Vo, Ivo Grosse, Rita Groß-Hardt: „Selective
egg cell polyspermy bypasses the triploid block“, eLIFE 2019, DOI:
https://doi.org/10.7554/eLife.52976

Zu dieser Veröffentlichung ist auch ein „Insight“ erschienen, in dem
Kolleginnen und Kollegen der TU München die Bedeutung der Bremer Arbeit
erklären und hervorheben. Nur wenige Paper werden für solche Insights
ausgewählt. Der Begleitartikel ist hier abrufbar:
https://doi.org/10.7554/eLife.54874