Powered by

Vom Modellorganismus zur Modellfamilie

Seit Jahrzehnten leistet die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) den Biologen als Modell gute Dienste. In Zukunft könnte sie aber Geschwister aus der Kreuzblütler-Familie (Brassicaceae) an die Seite gestellt bekommen. Der Pflanzenphysiologe Dr. Gerhard Leubner und sein Team von der Universität Freiburg haben für ihre Forschung an keimenden Samen vor einigen Jahren die Gartenkresse (Lepidium sativum) entdeckt. Viele Experimente lassen sich besser mit dem scharf schmeckenden Pflänzchen durchführen. Außerdem bauen die modernen Ansätze in der Biologie immer mehr auf den Vergleich zwischen verschiedenen Arten. Wird man in Zukunft von ganzen Modellsippen sprechen?

Hier keimt aus einem Samen die Spitze der Keimwurzel aus: Zuerst reißt die Samenschale (braun), dann das weiter innen liegende Endosperm (weiß) © www.seedbiology.de

Dr. Gerhard Leubner und sein Team von der Arbeitsgruppe für Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie II der Universität Freiburg beschäftigen sich zum Teil mit ziemlich „müden“ Dingen. Damit Pflanzen erst keimen, wenn optimale Umweltbedingungen zu erwarten sind, hat sich in vielen Arten eine als Dormanz bezeichnete Strategie etabliert. Dieser "schlafähnliche Zustand" stellt eine physiologische Blockade dar, die das Auskeimen verhindert - ein Phänomen mit komplexen molekularbiologischen Grundlagen. Treibt der Samen seine Keimwurzel dann doch irgendwann aus, dann ist auch das kein banaler Vorgang. Der Embryo wird von zwei Hüllgeweben geschützt, der äußeren Samenschale und dem als Endosperm bezeichneten inneren Schutz- und Nährgewebe. Und beide müssen erst einmal durchbrochen werden. Welche mechanischen Prozesse laufen dabei ab? Was passiert auf der physiologischen Ebene? „Viele der Fragen lassen sich mit Hilfe von Experimenten an dem wichtigsten pflanzenbiologischen Modellorganismus der letzten Jahre beantworten“, sagt Leubner und meint damit Arabidopsis thaliana oder die Ackerschmalwand. „Aber nicht alle.“

Für Pinzette und Skalpell geeignet

Die Gartenkresse Lepidium sativum © Quelle: Rainer Zenz

Seit den 1940er Jahren verwenden Biologen die Ackerschmalwand als Modellorganismus für genetische Studien. Mit ihren fünf Chromosomenpaaren, dem verhältnismäßig kleinen Genom und den bis zu 10.000 Samen pro Individuum ist sie ein praktisches Studienobjekt. Mit Hilfe des Agrobacterium tumefaciens lassen sich schnell und problemlos fremde Gene in das Erbgut einführen. Und seit das Genom im Jahr 2000 vollständig sequenziert wurde, hat die molekularbiologische Forschung an dem unscheinbaren Pflänzchen einen großen Sprung nach vorne gemacht. Aber gerade für die Samenforschung hat Arabidopsis auch Nachteile: „Die Samen sind sehr klein, man kann nur sehr schlecht einzelne Gewebe herauspräparieren“, sagt Leubner. „Damit ist bei molekularbiologischen Versuchen keine organspezifische Auflösung möglich.“ Wie gerufen kommt da die Gartenkresse. Die Samen von Lepidium sativum sind sehr ähnlich aufgebaut, dabei aber wesentlich größer als die der Ackerschmalwand. Embryo, Endosperm, Keimwurzel – sie alle lassen sich mit Pinzette und Skalpell schön voneinander trennen. Leubner und seine Mitarbeiter haben das Pflänzchen inzwischen als einen neuen Modellorganismus in ihrem Labor etabliert.

Der Samen der Gartenkresse (rechts) ist viel größer als derjenige von Arabidopsis (links) und für die Wissenschaftler viel leichter zu präparieren. © www.seedbiology.de

Ein Beispiel skizziert, wie vorteilhaft es ist, über zwei Modellorganismen aus der gleichen Familie zu verfügen. Mithilfe von Genchips haben Leubner und sein Team im letzten Jahr das sogenannte Transkriptom der Kresse-Samen während der Keimung untersucht. Beim Transkriptom handelt es sich um die Gesamtheit der RNAs, die als Vorlagen für Proteine dienen und zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Ablesen der Gene gebildet werden. In diesem Fall verriet das Transkriptom den Freiburgern, welche Gene in der Kresse während der Keimung aktiv waren und für diesen Vorgang eine wichtige Rolle spielten. Die Funktionen dieser Gene können die Forscher jetzt in weiteren Versuchen aufklären. Weil die Samen der Kresse so groß sind, war es den Pflanzenphysiologen sogar möglich, die Transkriptome der einzelnen Gewebe voneinander zu unterscheiden.

Und weil die Gartenkresse so eng mit der Ackerschmalwand verwandt ist, konnten sie die gewonnenen RNA-Sequenzen mit bekannten Sequenzen von Arabidopsis vergleichen und so schnell auf Ähnlichkeiten stoßen. „Weil viele Gene in der Ackerschmalwand bereits in ihrer Funktion aufgeklärt sind, können wir so begründete Annahmen über die Funktion der entsprechenden Kresse-Gene machen“, erklärt Leubner. „Und unbekannte Gene können wir mit den für Arabidopsis verfügbaren molekulargenetischen Methoden besser untersuchen.“ Mit dem vergleichenden Ansatz fanden die Wissenschaftler zum Beispiel heraus, wie das flüchtige Hormon Ethylen als ein wichtiger Regulator die Keimung fördert.

Das Ergebniss einer Transkriptom-Analyse: Auf diesem Chip sind Arabidopsis-RNAs als Sonden aufgebracht. Die blau-gelb leuchtenden Punkte zeigen an, dass die aus der Kresse gewonnenen, mit Fluoreszenz gefärbten RNAs an diese Sonden gebunden haben. Zum einen lässt sich so bestimmen, welche RNAs bei der Kresse überhaupt vorkommen. Aus der Leuchtkraft ziehen Wissenschaftler zum anderen Schlüsse über die Menge der RNAs, die gebildet werden. © AG Gerhard Leubner

Individuell oder allgemeingültig?

So sieht das Logo der weltweit am häufigsten besuchten Internet-Seite für Samenbiologie aus, die von Gerhard Leubner unterhalten wird. © AG Gerhard Leubner

Die beiden grünen Verwandten können sich bei Experimenten also ergänzen: Die Stärken der einen fangen die Schwächen der anderen auf und umgekehrt. Leubner und sein Team untersuchen neben den physiologischen Prozessen, die die Keimung einleiten und regulieren, auch, wie die Keimwurzel die innere Hülle (also das Endosperm) überwindet. Zum Teil wird das möglich, weil das Häutchen während des Auskeimvorgangs aufweicht. Dafür sorgen unter anderem Enzyme, die die Zellwände des Hüllgewebes abbauen. Welche Gene hierfür wichtig sind, prüfen die Wissenschaftler mit molekularbiologischen und genetischen Methoden, sowohl an Arabidopsis als auch an der Gartenkresse – auch letztere lässt sich mit Hilfe des Agrobacterium tumefaciens genetisch manipulieren. Und was nach dem Erweichen passiert, können die Freiburger mit einer biomechanischen Apparatur nachvollziehen. Indem sie präparierte Hüllhäute in eine Halterung spannen und einen Metallstab mit einer kontrollierten Kraft dagegen drücken, messen sie, wann die Wurzelspitze das Endosperm durchstoßen kann. Auch für diese Versuche eignet sich die Gartenkresse wegen der Größe ihrer Samen sehr gut.

Und noch einen weiteren Vorteil bringt ein zweiter Modellorganismus in der Familie der Brassicaceae: Vielen Forschern, die ein bestimmtes Gen bei Arabidopsis gefunden und diesem eine entscheidende Funktion zugewiesen haben, stellt sich nämlich die Frage: Ist dieses Gen nur bei der Ackerschmalwand von Bedeutung oder ist es in der Evolution konserviert und damit möglicherweise bei einer größeren Gruppe von Pflanzen wichtig? Will man die biologischen Erkenntnisse zum Beispiel für die Optimierung von landwirtschaftlich relevanten Nutzpflanzen einsetzen, müssen sie möglichst allgemeingültig sein. Aufschluss darüber kann nur ein Vergleich zwischen verschiedenen Arten liefern, wie ihn Leubners Team, aber auch viele andere Forschungsgruppen weltweit betreiben. „Meiner Ansicht nach haben wir es zur Zeit mit einer neuen Entwicklung zu tun“, sagt Leubner. „Es wird in Zukunft in der Familie der Brassicaceae vermutlich mehrere Modellorganismen geben, weshalb man dann eher von einer Modellfamilie als von einem einzelnen Modellorganismus sprechen wird. Und andere Pfanzenfamilien werden da nachziehen.“ Leubner und seine Mitarbeiter hoffen jetzt, dass bald die Genomsequenz der Gartenkresse entschlüsselt wird. Dann werden ihre Experimente noch einfacher werden.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/vom-modellorganismus-zur-modellfamilie/