Ein Schritt voraus: Wie Pflanzen gefährliche Mutationen vermeiden

Die Entdeckung, dass Pflanzen ihre wichtigsten Gene schützen, verändert unser Verständnis von Evolution

Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana)

DNA-Mutationen treten nicht so zufällig auf, wie bisher angenommen wurde. Dies zeigen neue Forschungsergebnisse des Max-Planck-Instituts für Biologie Tübingen und der University of California Davis in den USA. Die Ergebnisse, die jetzt in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, haben das Potenzial, unsere Sichtweise der Evolution drastisch zu verändern. Die Erkenntnisse haben weitreichende Auswirkungen, von besseren Kenntnissen über die Domestizierung von Nutzpflanzen bis hin zu Vorhersagen über die Mutationslandschaft bei Krebserkrankungen.

Mutationen entstehen, wenn die DNA von Lebewesen beschädigt und dann nicht richtig repariert wird. Eine zentrale Annahme von Darwins Theorie der Evolution ist, dass Mutationen rein zufällig entstehen und dass nur die natürliche Auslese bestimmt, welche Gene sich im Laufe der Evolution schneller und welche langsamer verändern. Diese Grundannahme ist nun in Frage gestellt worden.

"Wir dachten immer, dass es keine Unterscheide gibt, wo Mutationen im Erbgut auftreten", sagt Grey Monroe, Assistenzprofessor am Department of Plant Sciences der UC Davis und Erstautor der Studie. "Jetzt stellt sich heraus, dass das Mutationsmuster gar nicht so willkürlich ist, sondern dass es auch in einer Weise variiert, die der Pflanze zugute kommt.

"Dies ist eine völlig neue Perspektive auf die Entstehung von Mutationen und die Art und Weise, wie die Evolution funktioniert", kommentiert Detlef Weigel, wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Biologie und Hauptautor der Studie.

Pflanzen schützen sich vor den schädlichsten Mutationen besonders gut

Die Forscher züchteten Exemplare des weit verbreiteten Unkrauts Arabidopsis thaliana in einer optimalen Laborumgebung, in der sich alle Pflanzen, auch solche mit schädlichen Mutationen, vermehren konnten. Solche schädlichen Mutationen würden normalerweise durch den Selektionsdruck in der Natur schnell wieder verschwinden und es wäre schwierig, sie nachzuweisen. Durch die Analyse der Genome von Hunderten von im Labor gezüchteten Pflanzen konnten die Forscher Tausende von Mutationen sozusagen in flagranti erwischen. Ausgefeilte statistische Analysen zeigten, dass diese Mutationen keineswegs zufällig im Genom verteilt waren, wie die Forscher erwartet hatten. Stattdessen gibt es Abschnitte des Genoms, in denen Mutationen selten waren, und andere, in denen Mutationen viel häufiger vorkamen. In den Regionen mit wenigen Mutationen waren Gene gehäuft, die in jeder Zelle benötigt werden und somit für das Überleben jeder Pflanze wichtig sind.

"Das sind die Regionen des Genoms, die am empfindlichsten auf die schädlichen Auswirkungen neuer Mutationen reagieren", sagt Weigel, "und die DNA-Reparatur scheint daher in diesen Regionen besonders effektiv zu sein." Es ist, als würde die Evolution mit gezinkten Würfeln spielen - sie minimiert das Risiko, dass die wichtigsten Gene geschädigt werden.

Eine neue Perspektive auf die klassische Evolutionstheorie

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die verschiedenen Arten von Proteinen, um die die DNA im Zellkern gewickelt ist, in hohem Maße mit dem Auftreten von Mutationen korrelierten. "Das gibt uns eine gute Vorstellung von dem verantwortlichen Mechanismus, so dass wir vorhersagen können, welche Gene mit größerer Wahrscheinlichkeit mutieren werden als andere", sagt Monroe.

Weigel betonte, wie völlig unerwartet die Ergebnisse im Lichte der klassischen Evolutionstheorie waren: "Es ist seit langem bekannt, dass im Laufe der Evolution in bestimmten Regionen des Genoms viel mehr Mutationen toleriert werden als in anderen Regionen. Auf den ersten Blick schien das, was wir gefunden haben, der akzeptierten Weisheit zu widersprechen, dass dies nur die natürliche Auslese widerspiegelt, die die meisten Mutationen entfernt, bevor sie tatsächlich beobachtet werden können", erklärt er. Doch trotz der ungleichmäßigen Verteilung von Mutationen in einem typischen Genom sind die wichtigen Regionen nicht völlig frei von ihnen, und diese Regionen können sich daher auch verändern, wenn auch langsamer als andere Teile des Erbguts.

Künftige Anwendungen in der Züchtung und Medizin

"Die Pflanze hat einen Mechanismus entwickelt, um ihre wichtigsten Gene vor Mutationen zu schützen", sagt Monroe. "Das ist spannend, denn wir könnten diese Entdeckungen vielleicht nutzen, um darüber nachzudenken, wie man menschliche Gene vor Mutationen schützen kann. In Zukunft könnte man damit vorhersagen, welche Gene am besten für die Züchtung geeignet sind, weil dort neue Mutationen besonders wahrscheinlich sind, oder welche Gene beim Menschen am ehesten Krankheiten verursachen.

Die Arbeiten wurden größtenteils am Max-Planck-Institut für Biologie (früher Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie) durchgeführt und werden nun sowohl dort als auch an der UC Davis fortgesetzt. Forscher der Carnegie Institution for Science, der Stanford University, der Westfield State University, der Universität Montpellier, der Universität Uppsala, des College of Charleston und der South Dakota State University waren ebenfalls an der Arbeit beteiligt. Finanziert wurde das Projekt von der Max-Planck-Gesellschaft, weitere Mittel kamen von der National Science Foundation und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Originalpublikation

Edit J. Grey Monroe, Thanvi Srikant, Pablo Carbonell-Bejerano, Moises Exposito-Alonso, Mao-Lun Weng, Matthew T. Rutter, Charles B. Fenster, Detlef Weigel: Adaptive mutation bias in Arabidopsis thaliana. Nature (2022).
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04269-6

Wissenschaftlicher Kontakt

Prof. Dr. Detlef Weigel
Direktor, Abteilung Molekularbiologie
Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen
Telefon: +49 179 6769032
e-Mail: detlef.weigel@tuebingen.mpg.de