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PUBLIC RELEASE DATE: 13 April 2005

Wandelfreudige Blütenarchitektur

Ein Prinzip der Evolution morphologischer Neuheiten im Pflanzenreich haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln entdeckt.



Abb.: Physalis alkekengi
Bild: MPI fr Zchtungsforschung/Peter Huiyser

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Der Entstehung der ungewhnlichen Hllstruktur von Physalis, der so genannten chinesischen Laterne aus der Familie der Nachtschattengewchse sind Forscher des Klner Max-Planck-Instituts fr Zchtungsforschung jetzt nachgegangen. Nachtschattengewchse (Solanaceen) sind besonders reich an evolutionren Neuheiten. Mit ihrer Studie konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ausprgung des Gens MPF2 und die Funktionsweise des zugehrigen Transkriptionsfaktors in den Blten von Physalis der Grund fr ihre ungewhnliche architektonische Form ist. Mit ihren Untersuchungen haben die Max-Planck-Molekularbiologen die Entstehung morphologischer Neuheiten im Pflanzenreich - ein uraltes Phnomen der Evolutionsbiologie - beispielhaft untersucht. (PNAS, 11. April 2005).

Fast jhrlich findet man auf Blumenmrkten neue Farb- und Formvarianten der verschiedensten Pflanzenfamilien. Viele dieser Zchtungen erfreuen sich allgemeiner Beliebtheit und finden reienden Absatz. Das uralte Phnomen der Evolutionsbiologie, die Entstehung morphologischer Neuheiten, rckt in den letzten Jahren nun auch zunehmend ins Zentrum der Forschungsaktivitten von Molekularbiologen.

Die Klner Molekularbiologen Chaoying He und Heinz Saedler vom Max-Planck-Institut fr Zchtungsforschung haben jetzt die Evolution einer neuen Blten-Architektur bei Physalis, der so genannten chinesischen Laterne aus der Familie der Nachtschattengewchse (Solanaceen) untersucht und sind der Entstehung ihrer ungewhnlichen Hllstruktur nachgegangen. Die Solanaceen umfassen mehr als 3500 Arten, Tomaten, Kartoffeln, Paprika, Auberginen und Physalis gehren zu ihnen. "Nachtschattengewchse sind reich an evolutionren Neuheiten, Physalis ist ein sehr anschauliches Beispiel dafr", erklrt Heinz Saedler. Eine ballonartige Hlle gibt nach der Reifung eine orangefarbene Beere frei. Liebhaber von kalten Buffets schtzen sie als Verzierung auf dem Essen. Neben ihren optischen Vorzgen ist die Beere auch auergewhnlich reich an Nhrstoffen und kann bedenkenlos verzehrt werden.

Physalis gehrt zu den hheren Pflanzen. Blten hherer Pflanzen umfassen vier Kreise von Organen. Alle Organe werden in der Bltenknospe zunchst fest von den Kelchblttern (Sepalen) umhllt, die sich spter jedoch ffnen und die Kronbltter (Petalen), die der Anlockung von Befruchtern (z.B. Insekten und Vgel) dienen, freigeben. Die mnnlichen Staubbltter (Stamen) und die weiblichen Fruchtbltter (Karpellen) folgen in den inneren Organkreisen. Neuheiten knnen in allen Organkreisen entstehen. Besonders leicht zu erkennen sind architektonische Vernderungen jedoch sowohl bei den Kron- als auch bei den Kelchblttern. "Morphologische Neuheiten entstehen durch Vernderungen in Entwicklungsprozessen", sagt Heinz Saedler. Fr die Entstehung der Laterne von Physalis bedeutet dies, dass die Kelchbltter (Sepalen) nach der Befruchtung wieder zu wachsen beginnen und letztendlich die reife Frucht einhllen. Die Molekularbiologen nennen dieses Merkmal auch Inflated-Calyx-Syndrome (ICS).

Um den Ursachen des Inflated-Calyx-Syndrome auf den Grund zu gehen, verglichen die Molekularbiologen Physalis mit der Kartoffel. Beide stammen aus der Familie der Solanaceen, sind also nahe miteinander verwandt. Die Unterschiede in der Blten- und Fruchtbildung sind nur wenig, aber charakteristisch verschieden ausgeprgt. Die Wissenschaftler vermuteten aufgrund frherer Studien, dass ein MADS-box-Transkriptionsfaktor bei der Entstehung des ICS bei Physalis beteiligt sein muss. In Pflanzen gibt es allein mehr als einhundert MADS-box-Faktoren, die - meist in Kombination - die Expression bestimmter Gene steuern. So ist etwa eine bestimmte Kombination von MADS-box-Proteinen z.B. fr die Identitt eines Organs in Physalis verantwortlich. Dies haben die Klner Forscher bereits vor ein paar Jahren in einem Modell veranschaulicht.

Ein Vergleich der Ausprgung der Gene MPF2 bei Physalis und dem entsprechenden Gen STMADS16 in der Kartoffel, die beide einen MADS-box-Transkriptionsfaktor kodieren, fhrte die Klner Forscher schlielich auf die richtige Spur. In der Kartoffel wird STMADS16 nur im vegetativen Gewebe ausgeprgt. Im Gegensatz hierzu wird die Expression von MPF2 in Physalis, auch in floralen Geweben beobachtet. Durch einen gentechnologischen Eingriff, der so genannten RNAi-Methode, bei der man Gene gezielt ausschaltet, konnte die Funktion von MPF2 in Physalis stark reduziert werden. Dies hatte drastische Konsequenzen: Die transgenen Pflanzen hatten kleinere Bltter, bildeten keine Laternen (ICS) mehr aus und waren mnnlich steril. Daraus schlossen die Molekularbiologen, dass MPF2 offensichtlich sowohl fr die Ausbildung normaler Bltter wie auch von ICS bentigt wird. Ferner scheint MPF2 auch ein Bestandteil des mnnlichen Fertilittsprogramms zu sein.

Anschlieend gingen die Wissenschaftler der Ursache fr die ungewhnliche Ausprgung von MPF2 in den floralen Organen von Physalis auf den Grund. Erbgut-Sequenzanalysen der Promotoren, also der Schaltstellen von Genen, von STMADS16 und MPF2 zeigten, dass die beiden Kontrollsegmente vllig unterschiedlich sind. Dies macht die unterschiedliche Expression der beiden Gene in Kartoffeln und Physalis verstndlich. MPF2 stimuliert die Zellteilung in Blttern und in Sepalen bei gleichzeitiger Reduzierung der Zellgre. Dies konnte berzeugend in transgenen Kartoffel-Pflanzen, in denen MPF2 auch in Bltenorganen ausgeprgt wurde, besttigt werden. Ihre stark vergrerten Sepalen wiesen viele kleine Zellen auf.

Damit konnten die Klner Forscher nachweisen, dass die Nutzung eines existierenden Transkriptionsfaktors und seine Integration in einen anderen Kontext die Evolution von ICS in Physalis beinflusst. Dies stellt mglicherweise ein Prinzip der Evolution morphologischer Neuheiten im Pflanzenreich dar.

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Originalverffentlichung:

Chaoying He and Heinz Saedler
Heterotopic expression of MPF2 is the key to the evolution of Chinese lantern of Physalis, a morphological novelty in Solanaceae
PNAS published 11. April, 2005 10.1073/pnas.0501877102