Arabidopsis taliana ist der bestbeschriebene pflanzliche Organismus, das ist für uns das Modellsystem schlechthin.
Arabidopsis thaliana, diesen Namen kennen wohl nur Botaniker. Dabei ist die Pflanze hier in Deutschland fast allgegenwärtig, nur fällt das kleine Unkraut zwischen all den prächtigen Blumen, üppigen Gräsern und großen Bäumen kaum auf.
Es ist zum Beispiel möglich, Zehntausende von Pflanzen auf wenigen Quadratmetern in einem Laboratorium zu halten, was mit andern Pflanzen, wie zum Beispiel Mais natürlich nicht so einfach möglich wären.
Aus einer Rosette von dicklichen, leicht gezackten Blättern dicht am Boden ragen die Stängel etwa 20 cm empor. Seitlich tragen sie schmale Blättchen, an den Spitzen sitzen die Blüten mit den vier weißen Blütenblättern. Arabidopsis gehört zu den Kreuzblütlern, zu den nächsten Verwandten zählen Raps, Kohl und Senf.
Außerdem ist Arabidopsis eine interessant Pflanze, weil sie eine kurze Generationszeit hat. Das heißt, wenn ich einen Diplomanden hier habe oder eine Diplomandin, dann werden die auch innerhalb ihrer Diplomarbeit fertig, wenn sie neue Pflanzen generieren und nachher analysieren wollen.
Arabidopsis hat viele umgangssprachliche Namen. Thaleskresse, nach Johannes Thal der das Pflänzchen im sechzehnten Jahrhundert erstmals beschrieb. Wasserkresse, Ackerschmalwand, Gänsekresse. Ein Unkraut, das auf der ganzen Welt verbreitet ist.
Den eigentlichen Schub in die Molekularbiologie hat es erfahren, als man beobachtet hat, dass das Genom der Pflanze, also die Gesamtheit ihrer Erbanlagen, sehr kompakt strukturiert ist, also der Umfang des Erbgutes im Zellkern dieser Pflanzen ist besonders klein für eine höhere Pflanze, enthält aber alle Gene, die eine höhere Pflanze braucht und ist deswegen auch besonders günstig zu analysieren und zu untersuchen.
Arabidopsis wächst eigentlich fast überall an Wegrändern oder auf Parkplätzen. Man begegnet Arabidopsis auf Schritt und Tritt. Das letzte Mal, wo ich Arabidopsis gesammelt habe war tatsächlich im Urlaub, das war in der Bretagne und wir haben Boule gespielt auf einem Schotterparkplatz und eine der Boulekugeln ist eben in die Büsche gerollt und am Rand des Parkplatzes sind mehrere Arabidopsispflanzen halt gewachsen. Und wir haben die Samen halt mitgenommen.
In der Natur mag die Thaleskresse nur Nischen erobern, für ein Leben im Labor ist sie perfekt ausgestattet. Die Arabidopsisforschung boomt. In den Sechzigern kamen gerade mal 25 Wissenschaftler zu den Fachtagungen, heute übersteigt die Teilnehmerzahl leicht die Tausendermarke. Die schiere Masse an Forschungskraft hat Arabidopsis thaliana zur bestverstandenen Pflanze der Welt gemacht. Für Botaniker ist das Unkraut das, was für den Mediziner die Maus und für den Genetiker die Fruchtfliege ist. Die Sequenz der Arabidopsis DNA liegt, pünktlich zur Jahrtausendswende, seit dem Dezember 2000 vor, übrigens in deutlich besserer Qualität als die derzeit verfügbaren menschlichen Genomdaten. Hierzulande wird die Arabidopsisforschung vor allem von GABI gefördert, ein Kürzel für die Genom Analyse im Biologischen System Pflanze. Die deutsche Pflanzengenominitiative will den Wissenschaftlern Werkzeuge für die Forschung an die Hand geben. Und Werkzeuge, das sind für Genetiker vor allem genau definierte Mutanten, erläutert Dr. Jens Freitag, den Leiter der GABI-Geschäftstelle in Golm.
Wenn man weltweit diese Ressourcen zusammenfassen würde die in verschiedenen Laboren in der Welt bereits erzeugt wurden, kann man sagen das wirklich jedes Gen von Arabidopsis einmal ausgeschaltet wurde oder einmal verstärkt wurde in seiner Funktion.
Mit Arabidopsis ist jetzt möglich für irgendeinem x-beliebigen Gen zu suchen, ob es ein Mutante in dieses Gen gibt, die Pflanze zu bestellen sogar, nicht mehr selbst herzustellen sondern zu bestellen und die Auswirkungen auf die Pflanze zu untersuchen, was man nennt, den Phänotyp, also kippt sie um ist es größer ist es kleiner, ist es gelb ob die Stoffzusammensetzung geändert ist, ob sie richtig blüht und so weiter und so weiter. Diese systematische Forschung ist kaum möglich in anderen Systemen.
Genetikern, wie Prof. Mark Stitt vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam, macht Arabidopsis die Arbeit leicht. Doch dass allein erklärt den Forschungsboom um das kleine Unkraut nicht. Selbst Botanikern wäre Arabidopsis ziemlich gleichgültig, wenn sie nicht auch ein gutes Modell für viele andere Pflanzen wäre, erläutert Prof. Thomas Altmann, der ebenfalls in Golm forscht.
Zum Beispiel hat Arabidopsis keine Knollen so dass die Entwicklung der Knolle an der Kartoffel sicherlich an der Kartoffel studiert werden muss. Aber die prinzipiellen Vorgänge, die dazu führt, dass eine Knolle entsteht,. Nämlich die Stimulation von Zellteilung und Zellstreckung an einem bestimmten Bereich wird die gleichen Komponenten umfassen wie wir sie bei Arabidopsis kennen lernen können, nämlich die Komponenten die den Zellzyklus kontrollieren und die Komponenten die das Zellwachstum kontrollieren. Ebenso wird die Einlagerung der Stärke in die Kartoffelknolle die gleichen Schritte umfassen wie wir sie auch in Arabidopsis studieren können. Aber die speziellen Abstimmungen dieser Gene aufeinander um Knollen zu bilden, die müssen wir in der Kartoffelpflanze untersuchen.
Das Konzept eines Modellorganismus ist für die Botanik noch recht neu. Lange bevorzugte jeder Forscher seine eigene Pflanze. Der Siegeszug der Gentechnik hat dieses traditionelle Schrebergartendenken gehörig durcheinandergewirbelt. Jetzt sind auch auf dem Arbeitsfeld Pflanze großangelegte Forschungsprojekte nicht nur möglich sondern auch nötig. Und dabei führt an Arabidopsis kein Weg vorbei.
Arabidopsis haleri kommt vor allem auf Zinkminen vor oder metallverseuchten Standorten im Harz und auch an anderen Orten in Mitteleuropa und wurde von Mienenarbeitern sogar an ihren Stiefeln bis in die USA getragen und kommt auch dort auf Halden von Bergbaustädten vor.
Wie funktioniert Arabidopsisforschung? Thomas Altmann interessiert sich für pflanzliche Hormone, genauer gesagt die Brassicasteroide. Chemisch sind sie dem Östrogen oder dem Testosteron verwandt, in der Pflanze haben sie aber ganz andere Aufgaben. Brassicasteroide sind an der Kontrolle des Wachstums beteiligt. Ein komplexer Prozess, bei dem viel schief gehen kann: es gibt Hunderte zwergwüchsige Arabidopsis-formen. Ein Teil dieser Mutanten stammt aus dem Labor von Thomas Altmann, von anderen hat er sich die Samen per Post bestellt. Seine Arbeitsgruppe untersucht nun im Detail, wie die verschiedenen Gendefekte mit den Hormonen und der Wachstumsstörung zusammenhängen. Jede Einzelmutante bildet dabei eine Art Puzzelstein.
Für die Synthese sind viele Schritte aufgeklärt worden unter anderem durch die Nutzung von Mutanten die Biosynthesedefekte haben. Wir kennen also eine ganze Reihe von Genen die an diesem Stoffwechselweg essentiell beteiligt sind, die also nötig sind, um diese Hormone herzustellen und wir kennen auch mittlerweile eine ganze Reihe von Genen die an der Signalübertragungskette beteiligt sind, die von der Perzeption, also der Wahrnehmung des Hormons an der Zelloberfläche wahrscheinlich hin zu den Reaktionen der Zelle führt. Das heißt wir haben mit diesem Modellsystem nicht nur die Möglichkeit die Synthese, die Herstellung dieser Hormone zu untersuchen sondern auch wie die Pflanzenzelle auf diese Hormone reagiert.
In seinem Labor in Golm setzt Thomas Altmann die genetischen Puzzelsteine zusammen, um den ganzen Wirkzusammenhang der Pflanzenhormone zu verstehen. Das gelingt derzeit nur mit Hilfe von Arabidopsis, nur hier gibt es genug definierte Mutanten, nur hier ist es mit Hilfe der Sequenz und vieler genetischer Hilfsmittel möglich, die Mutanten schnell und verlässlich einzukreisen. Auch Dr. Ute Krämer verwendet Arabidopsis thaliana als Werkzeug in der Gensuche. Die junge Arbeitsgruppenleiterin am MAX-PLANCK-INSTITUT für molekulare Pflanzenphysiologie interessiert sich für die Metalltoleranz.
Die meisten Pflanzen vertragen nur geringe Metallmengen im Boden, doch es gibt Spezialisten, die selbst auf den Abraumhalden von Erzmienen gedeihen. Sie nehmen die Metallsalze wie andere Pflanzen durch die Wurzeln auf, es gelingt ihnen aber dann, sie in den Blättern so abzulagern, dass sie ihren Stoffwechseln nicht beeinträchtigen. So reichern diese Pflanzen die Metalle in zum Teil erheblichen Mengen an. In manchen alten Bergbaugebieten werden sie deshalb zur Entgiftung der Böden eingesetzt. Wenn sie die Tricks dieser Pflanzen verstanden haben, so hoffen die Forscher, dann werden sich gezielt metalltolerante Varianten von Nutzpflanzen züchten lassen, mit denen neue Flächen für den Ackerbau erschlossen werden können.
Auch Arabidopsis haleri ist so eine metalltolerante Pflanze. Äußerlich ähnelt diese nahe Verwandte von Arabidopsis thaliana dem Modellorganismus, aber A. haleri verträgt ein Vielfaches der Zink oder Cadmiumkonzentration.
Durch den Vergleich kann man sich ankucken welche Genprodukte in Arabidopsis haleri verstärkt vorhanden sind und kann so rückschließen auf eine Funktion dieser Genprodukte in der Metalltoleranz. Nun gibt es ein ganz spezifisches Gen, von dem auch schon früher vorgeschlagen wurde, dass es mit Metalle entgiften kann. Dieses Gen liegt in Arabidopsis haleri in vielen Genkopien vor, so dass sehr viel von diesem Genprodukt gemacht wird, und das ist für uns unserer Hypothese nach, einer der Mechanismen durch die Arabidopsis haleri eine verstärkte Metalltoleranz ereichen kann und das sagt uns etwas über die Funktion dieser Gruppe von Genen, ganz allgemein.
Der Vergleich der Arten führte Ute Krämer schon auf die Spur mehrerer Gene, die den Pflanzen helfen, mit Metallen fertig zu werden. Ob sie damit richtig liegt, kann sie leicht an Arabidopsis thaliana erproben, indem sie die entsprechenden Gene künstlich in die Modellpflanze einführt und dann prüft, ob sie mehr Zink und Cadmium vertragen.
Aus der Perspektive der Genetik bietet Arabidopsis thaliana die besten Voraussetzungen. Doch ein Organismus entwickelt sich nicht starr nach seinem genetischen Programm. Gerade Pflanzen, die sich nicht bewegen könne, um passende Lebensbedingungen zu suchen, müssen auf die Umwelt reagieren, werden von ihrem Wuchsort geprägt. Deshalb gilt vielleicht noch mehr als bei Tieren, das der Zusammenhang zwischen einem Gen und einer Funktion nicht geradlinig ist. Jede Eigenschaft der Pflanze wird von vielen Gene beeinflusst. Andersherum ist ein Gen unter verschiedenen Bedingungen vielleicht an unterschiedlichen Prozessen beteiligt.
Versuchsmäuse werden möglichst immer unter in Standardkäfigen mit Standardfutter unter Standardbedingungen gehalten. Bei Pflanzen reicht das nicht aus. Mark Stitt versucht die Vielfalt der natürlichen Herausforderungen an die Pflanzen im Labormaßstab nachzustellen.
Wenn wir eine Mutante bekommen und wir haben zum Beispiel ein Gen ausgeschaltet und wir möchten wissen, was ist die Funktion von diesem Gen. Wenn wir die Pflanze einfach unter Standardbedingungen anbauen es kann durchaus vorkommen, das wir überhaupt keinen Unterschied zum Wildtyp sehen, vor allem wenn dieses Gen wichtig für die Anpassung ist, und dementsprechend ist es wichtig Pflanzen unter einer Reihe von verschiedenen Bedingungen anzubauen um die Auswirkungen von einem Gen zu erfahren. Ein Bild reicht nicht aus, sondern man muss mehrere nehmen, wo man Temperatur ändert, Tageslicht ändert, vielleicht Nährstoffe ändert, alle von diesen Faktoren haben große Auswirkungen auf eine Pflanze, wie es aussieht und dementsprechend muss man dann die Pflanzen unter diesen Bedingungen anbauen wenn man wissen will, was ist die Funktion von einem Gen.
Im Keller des Max-Planck-Institutes für molekulare Pflanzenphysiologie stehen reihenweise Klimakammern. Sie erinnern an überdimensionalen Kühlschränke, nur dass man nicht nur die Temperatur genau regeln kann, sondern auch die Beleuchtung im Inneren, die Feuchtigkeit und den Kohlendioxidgehalt der Luft und noch einiges anders mehr. Hinter den gut isolierten Türen geht die Sonne in Form von Neonröhren über Tausenden kleinen grünen Pflänzchen auf. Die meisten wachsen nicht in Blumentöpfchen sondern auf Agarplatten. In dem durchsichtigen Nährmedium steckten die Keime mit einem Zentimeter Abstand, 60 Arabidopsis-Pflänzchen auf einer Platte, Dutzende Platten in der Klimakammer. Botanik im Großmaßstab. Aber nur so, mit dieser Vielfalt an Zuchtbedingungen, kommt man der Beziehung zwischen Gen und Funktion wirklich auf die Spur.
One of the high volcano’s in the pacific north west I hiked to old growth forest up to timberline, climbing for about three hours until I came of the base of a large mountain glacier on top of the volcano and there at the base of the glacier in the cracks of the rock, I found Arabidopsis lyrata the closest wild relative of Arabidopsis thaliana.
An einem hohen Vulkan im Pazifischen Nordwesten der USA bin ich durch den uralten Wald bis zur Baumgrenze gewandert. Nach drei Stunden Kletterei kam ich an den Fuß des Gletschers auf diesem Vulkan. Und dort, am Fuß des Gletschers, in den Ritzen der Felsen fand ich Arabidopsis lyrata, den nächsten wilden Verwandten von Arabidopsis thaliana.
In Versuchtieren, bei der Fruchtfliege oder der Maus, werden die meisten Mutationen künstlich, mit Hilfe von Chemikalien erzeugt. Das ist bei Arabidopsis genauso möglich, doch die Pflanze bietet einen weiteren Vorteil. Ihr Verbreitungsgebiet reicht von Schweden bis zu den Kapverdischen Inseln, von Japan bis in die USA. Überall auf der Welt gibt es kleine Populationen, die sich an die lokalen Umweltbedingungen angepasst haben. Dieses Ökotypen unterscheiden sich in einer Vielzahl von Merkmalen von der Standard Labor-Arabidopsis, dem Columbia Typ, der im übrigen ursprünglich aus Landsberg stammt.
Künstlich erzeugte Mutanten zerstören meist eine Genfunktion, das Studium der natürlichen Variation erlaubt es, auch subtilere Effekte zu erfassen. Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beschäftigt sich Dr. Jürgen Kroymann mit den Senfölglykosiden.
Senfölglycosiede sind eigentlich jedem bekannt, der Kohl oder Senf oder Meerrettich schon mal gegessen hat. Diese Kompone nten sind verantwortlich für das scharfe prickelnde Gefühl in der Nase oder im Mund.
Die Pflanze verwendet Senföglykoside um Fraßfeinde abzuwehren. Denn vielen Insekten verderben diese Chemikalien gründlich den Appetit, vor allem sogenannten Generalisten, die an Blättern gleich welcher Art nagen. Allerdings ist diese Abwehrwaffe zweischneidig. Denn es gibt spezialisierte Insekten, die sich von den Senfölglykosiden nicht beeindrucken lassen. Schlimmer noch, der Kohlweißling zum Beispiel kann die Abbauprodukte der Senfölglykoside riechen und findet so gezielt Kohlpflanzen, um darauf seine Eier abzulegen. Die Pflanze muss ihre Abwehrstrategie deshalb der Insektenpopulation ihres Standorts anpassen. Überwiegen die Generalisten, lohnt es sich, sie mit Senfölglykosiden abzuwehren, dominieren Spezialisten sollte die Pflanze eher mechanischen Barrieren als chemischen Kampfstoffen vertrauen.
Das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie sammelt auf der ganzen Welt Arabidopsis Ökotypen. Und tatsächlich unterscheiden sie sich deutlich in ihrem Senfölglykosid-Gehalt, sie werden auch in den Fraßkammern der Laboratorien ganz unterschiedlich von Kohlweißlingraupen angenagt. Jürgen Kroymann hat solche Ökotypen gekreuzt. Bei vielen Dutzenden von Nachkommen wurde die chemische Verteidigungsbereitschaft bestimmt und genau analysiert, welcher Teil des Erbgutes von welcher Elternpflanze stammte. Auf diesem Weg gelang es viel schneller, als mit klassischen Methoden, die Gene zu finden, die für die Bildung der Senfölglykoside verantwortlich sind. Ein Erfolg, der durchaus praktische Anwendungen haben kann.
Wenn man versteht, welche Gene dafür verantwortlich sind in Arabidopsis kann man versuchen die entsprechenden Gene auch in verwandten Pflanzen oder in Nutzpflanzen zu finden. Daraufhin kann man dann dieses Gene oder Varianten der Gene in die Nutzpflanzen einbringen die gewünschte Effekte haben. Große Mengen an Senfölglykosinolaten können unter Umständen ungünstig sein, wenn man die Pflanzen als Tierfutter verwenden will, weil bestimmte Senfölglykoside Krankheiten verursachen können auf der anderen Seite zeigt sich dass die Abbauprodukte der Senfölglykosiden in Broccoli zum Beispiel einen fördernden Effekt die Gesundheit der Menschen haben können, weil sie zum Beispiel vor Krebs schützen können.
Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie werden die natürlichen Varianten von Arabidopsis aber nicht in erster Linie als Hilfsmittel der Gensuche gesammelt. Die Pflanze ist einer der wenigen Organismen, an dem sich das Zusammenspiel zwischen Genen, Evolution und Umwelt im Detail untersuchen lässt. Einige Arabidopsispopulationen verfolgen die Forscher über Jahre im Freiland, registrieren die Veränderungen von Lichtmenge, Feuchtigkeit, Bodenqualität, sogar beim Befall mit Insekten und vergleichen diese Daten mit den Veränderungen in den Genen der Pflanzen. Welche Erbgutvarianten setzen sich durch, welche verschwinden. Mikroevolution nennt sich dieses Studiengebiet.
Licht ist entscheidend im Leben einer jeden Pflanze. Kein Wunder, dass Pflanzen die Lichtmenge nicht nur passiv hinnehmen, sondern sich aktiv um eine optimale Beleuchtung kümmern, sich dem Licht entgegenstrecken. Das macht allerdings nur Sinn, wenn nicht etwa eine Felswand den Standort generell verdunkelt, sondern wenn die Pflanze im Schatten von Konkurrenten steht, über die sie potentiell hinauswachsen kann. Welcher Art der störende Schatten ist, registrieren Pflanzen mit Hilfe von Phytochromen, diese Farbstoffe reagieren auf die Farbe des Lichts. Wenn grüne Blätter von Konkurrenten die roten Anteile der Sonnenstrahlung herausfiltern, geben die Phytochrome das Signal: wachse zum Licht.
Colleges at Browns University in Rhode island have studied genetic variation in theses light sensing molecules and have shown different genotypes respond to their light environment in different ways and the ways that they respond in fact adapts them, closely fits their fitness so that it is maximised in particular light environments are they are in open sun, are they in shade where there is shading by leaves by their neighbours theses change the wavelength that reaches the plants. The phytochom proteins control the way the plant grows and this brings about adaptation to maximise the fitness of different genotypes in different environments. They showed, that the responses of theses plants t the light environment is closely fitted to natural selection in the wild. And that the respond of the plants does indeed increase their fitness in relationship to the ecological environment.
Kollegen der Browns University haben untersucht, welche Variationen es bei diesen Lichtsensoren gibt. Verschiedene Ökotypen reagieren auf unterschiedliche Weise auf das Licht in ihrer Umgebung. Und zwar genau so, dass ihre Fitness, die Zahl der Nachkommen, in ihrer natürlichen Lichtumgebung am größten ist. Ob das nun ein sonniger Standort ist oder ein schattiger, an dem die Blätter der Nachbarpflanzen die Farbe des Lichtes verändern. Sie konnten zeigen, dass die Reaktion der Pflanze auf das Licht genau an die Bedingungen am natürlichen Standort angepasst ist und dass so tatsächlich die Fitness der Pflanzen in dieser Umgebung gesteigert ist.
Fünf Gene steuern in Arabidopsis die Bildung verschiedener Phytochrome, und ihre Varianten sind offenbar genau an den jeweiligen Standort angepasst. Die Thaleskresse bietet die einzigartige Möglichkeit die Evolution in der Umwelt bis hin zur Ebene der Gene genau zu untersuchen.
In Nordamerika in Montan und in Idaho gibt es sehr große unberührte Landstriche wo sich über Hunderte von Quadratkilometern keine menschliche Ansiedlung befindet und wir sind in der Wildnis wandern gegangen um halt Verwandte von Arabidopsis thaliana zu finden. Man findet die zum Beispiel entlang von Flüssen oder an Hügeln die bewaldet sind oder auch nicht bewaldet sind. Wir sind zu einer Zeit sammeln gewesen als die Pflanzen ihre Schoten schon ausgebildet hatten und man erkennt diese dann relativ einfach wenn man sich leicht schräg vor diesen Hügel stellt und gegen das Licht kuckt eben an ihrer charakteristischen Wuchsweise.
Ein Tier läuft weg, eine Pflanze passt sich an. Eine Konsequenz dieser groben Regel ist, dass Pflanzen einen viel umfangreicheren Stoffwechsel haben. Sie kümmern sich nicht nur um die Pflicht des Lebens, das Bereitstellen von Energie und Baustoffen, sondern tanzen auch eine chemische Kür, bilden eine Vielzahl von Substanzen für die Wechselfälle des Lebens. Deshalb stammen noch immer viele Arzneimittel aus Pflanzen. Diese Fähigkeit zur chemische Vielfalt lässt sich zum Teil im Erbgut ablesen. So hat Arabidopsis viele Dutzend p-450 Gene, Gene für Enzyme, die exotischere Reaktionen katalysieren. Tiere kommen mit viel weniger aus. Was jedes einzelne dieser Gene genau leistet ist bislang nicht bekannt und kann mit den Mitteln der Herkömmlichen Gentechnik auch nicht erschlossen werden. Einen Ausweg bietet die Analyse des Metaboloms.
So wie das Genom die Gesamtheit des Erbgutes ist, so ist das Metabolom die Gesamtheit der kleinen Moleküle der Zelle. Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, Abwehrstoffe, Pflanzengifte, Botenmoleküle. Mit modernen Methoden lässt sich eine Art Schnappschuss des Stoffwechsels aufnehmen. Dazu zerkleinert man ein Stück Blatt oder ein anderes Gewebe. Der Zellsaft wird dann in seine Einzelbestandteile aufgetrennt, meist mit Hilfe der Gaschromatographie. Die Moleküle wandern dabei über eine Matrix, je besser sie haften, desto länger brauchen sie. Am Ende kommen die Substanzen eine nach der anderen heraus und gelangen in einen Massenspektrographen, wo ihre Molekulargewichte sehr genau bestimmt werden. In großen Tabellen ist verzeichnet, welches Molekül welches Molekulargewicht hat. Am Ende erhalten die Wissenschafter eine Liste, in der die Art und die Menge von rund 1000 Einzelbestandteilen eines Gewebes aufgelistet sind.
Der Blick den wir haben ist viel näher am Endprodukt oder an dem Ausgang dessen dran, was die Pflanze eigentlich will. Das heißt, wenn wir zum Beispiel einen trockenen und heißen Sommer haben, dann muss die Pflanze dagegen ankämpfen. Und sie kämpft dagegen an indem sie meinetwegen das Wachstum verlangsamt oder die Schließzellen länger geschlossen hält und versucht die Speicherprodukte optimal auszunutzen. Und diesen Prozess den sehen wir auf der Seite des Metaboloms viel deutlicher oder amplifiziert, wie unter einer Lupe vergrößert. Das heißt wir kriegen auch kleine Effekte besser gemessen.
Dr. Oliver Fien, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie ist sichtlich Stolz auf seine Geräte, große, laute Kisten, in die an der einen Seite etwa ein Blattextrakt injiziert wird und die nach einer Weile am anderen Ende auf dem Computerbildschirm das Resultat ihrer Analyse präsentieren. Wenn die Gentechnologen ein einzelnes Gen verändern, dann reagiert das gesamte Geflecht des Stoffwechsels auf diese Störung. Die Effekte eines solchen Eingriffs lassen sich nicht immer vorhersagen. Gerade Oliver Fien hat zum Beispiel einmal eine Arabidopsismutante analysiert, die die Energie des Sonnenlichts zwar auffangen, dann aber nicht verwerten konnte. In der Metabolomanalyse zeigte sich, dass diese Pflanzen eine Substanz namens Citramalat im Übermaß bildeten. Die Ursache ließ sich in einer genauen Analyse des Stoffwechselprofil ableiten.
Die Pflanze hat zuviel Lichtenergie, was passiert dabei ist, dass Ammonium freigesetzt wird und Ammonium ist erstens sehr wichtig und zweitens toxisch, muss also sofort wieder gebunden werden. Deshalb hat die Pflanze angefangen große Mengen an Aminosäuren zu bilden und um die nötige Menge an Kohlenstoffgerüsten bereitzustellen wurde dann ein Stoffwechselweg über das Citramalat angeschaltet. Das konnten wir auch direkt sehen aus den Metabolomanalysen und versuchen das jetzt sozusagen mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden diese rein aus der Analytik gewonnen Hypothesen zu verifizieren.
Der Lichtstress brachte den ganzen Stoffwechsel aus dem Gleichgewicht. Letztlich aktivierten die Pflanzen dann einen ganz neue Stoffwechselweg der bislang nur aus Bakterien bekannt war. Ein völlig überraschender Effekt, den keine noch so genau Analyse des Arabidopsisgenoms hätte vorhersagen können. Die komplexe Biologie einer Pflanze lässt sich über die Gene allein nicht verstehen. Andersherum kann die Analyse des Metaboloms sehr wohl auf die Spur neuer Gene führen. Die Golmer Kollegen von Oliver Fien konnten inzwischen auch in Arabidopsis neue Gene für den Citramalat Stoffwechsel finden.
Wenn es um gentechnisch veränderte Nahrungsmittel geht, könnte die Metabolomanalyse sicherstellen, das sie wirklich keine unerkannten Schadstoffe bilden. Kein Wunder, dass das Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie inzwischen zusammen mit der BASF eine Firma gegründet hat, die versucht, mit Hilfe der Metabolomanalyse auch Geld zu verdienen. Metanomics züchtet eine Vielzahl von Arabidopsismutanten unter einer ganze Reihe von Aufzuchtsbedingungen und analysiert dann, wie der Stoffwechsel der Pflanzen reagiert. So hoffen die Forscher Wege zu finden, um den Nährstoffgehalt zu verbessern und Pflanzen zu züchten, die die Gesundheit fördern.
In November last year I collected arabidopsis lyrata in the high mountains of central Taiwan in tropical south east Asia. Theses mountains actually look very much like what we see in the Alps here in Europe. When we go to the alpine grasslands the grass is bamboo and in the openings between the bamboo we find arabidopsis lyrata and as we hike through this alpine meadows looking for arabidopsis the other thing we have to look out for is cobra and fife species of poisonous snakes.
Letzten November habe ich Arabidopsis lyrata im Hochgebirge Taiwans gesammelt in Südost Asien. Diese Berge ähneln unseren Alpen in Europa. Nur wächst dort kein Gras sondern Bambus. Und auf den Lichtungen zwischen dem Bambus fanden wir Arabidopsis lyrata. Und während wir über diese alpinen Wiesen wanderten, mussten wir die Augen nicht nur für Arabidopsis offen halten sondern auch noch für Kobras und fünf andere Giftschlangen.
Arabidopsis ist die Pflanze der Grundlagenforscher. Inzwischen beginnt das ehemalige Unkraut aber vom Labor aus auch die Felder der Bauern zu beeinflussen, positiv zu beeinflussen. Zum Beispiel von Jena, vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, bis nach Asien, erzählt Thomas Mitchell-Olds.
In the Asian tropics people grow Chinese cabbage across Asia and across china. And many small farmers grow cabbage and related species for their families and to take them to markets to support their families. These are attacked by many insect species. Exactly the insect species we are studying in Arabidopsis and from theses studies we find some genes that may enable Asian farmers to improve production of theses Brassica plants for their families and for support for the economies of their countries.
Im tropischen Asien wird viel Chinakohl angebaut. Viele kleine Bauern züchten Kohl und verwandte Arten für ihre Familien und um sie auf dem Markt zu verkaufen. Diese Arten werden von vielen Insekten angegriffen, genau den Insekten, die wir auf Arabidopsis untersuchen. Wir hoffen, dass die Gene, die wir bei unserer finden, den Bauern in Asien helfen, höhere Erträge für ihre Familien und für die Wirtschaft ihrer Länder zu erzielen.
Die Wiederstandsfähigkeit gegen Insekten ist aber längst nicht die einzige interessante Eigenschaft bestimmter Arabidopsis Ökotypen.
Arabidopsis stammt wahrscheinlich aus der sibirischen Steppe und kann deshalb Frost sehr gut vertragen. Allerdings nur, wenn die Pflanzen vorher Zeit hatten, sich an kältere Bedingungen zu gewöhnen. Inzwischen ist bekannt, das in dieser Anpassungsphase bestimmtes genetisches Programm aktiviert wird, das von ein oder zwei Regulatoren gesteuert wird. Bringt man Arabidopsis mit gentechnischen Tricks dazu, diese Regulatoren ständig zu bilden, dann sind die Pflanzen dauerhaft vor Frost gewappnet. Inzwischen gelang es auf diesem Weg auch Raps kältetolerant zu machen. Ein anderes Beispiel ist eine Arabidopsismutante, die dafür sorgt, dass die Pflanze zu blühen beginnt, kaum dass sie aus dem Boden gewachsen ist. Dieses Gen soll jetzt in Pappeln übertragen werden, damit die Bäume schon nach einem, statt nach fünf oder zehn Jahren blühen. Die Züchter könnten dann erstmals beginnen, auch Bäume zu kreuzen und so zu verbessern.
Die Arabidopsisforschung lässt sich aber nicht nur dazu nutzen, neue gentechnisch veränderte Pflanzen zu schaffen, ein Weg, dem ja viele skeptisch gegenüberstehen. Auch die konventionelle Züchtung kann aber von der Arbeit an der Modellpflanze profitieren. Ist erst einmal bekannt, welche Genvarianten etwa für die Kältetoleranz verantwortlich sind, dann können die Züchter gezielt nach ähnlichen Varianten in ihrem Pflanzenmaterial suchen. Und auch beim Kreuzen selbst ist das an Arabidopsis gewonnene Wissen ausgesprochen hilfreich, meint Thomas Altmann.
Das passiert schon, das wird in Züchtungsprogrammen bereits effektiv eingesetzt z.B. wenn aus Landrasse oder aus einer Wildform eine klar definierte Eigenschaft eingeführt werden soll Beispielsweise die Resistenz gegenüber einem Pathogen also die Unanfälligkeit gegenüber einem Pflanzen Krankheitserreger. Und wenn man nun kennt in welchem Segment der Wildform sich das günstige Gen befindet dann kann man sehr effizient aus seinen Kreuzungen diejenigen Produkte heraussuchen, die möglichst nur dieses Segment erhalten haben und wo der Rest des Genoms aus der Form der Kulturart, der Hochleistungssorte besteht um somit den Prozess der Einführung dieses gewünschten Gens oder Genomabschnittes zu beschleunigen.
Am Wegrand mag Arabidopsis ein kleines, unauffälliges Unkraut sein. Im Labor führt die Modellpflanze nicht nur die Grundlagenforschung in der Botanik zu neuer Blüte, sie hat auch das Potential, die Äcker zu verändern.
Arabidopsis ist einfach einige Schritte, bei vielen Fragestellungen einige Schritte den anderen Pflanzen voraus.
In der Reihe "Leben für die Wissenchaft" haben wir außerdem folgende Themen ausgestrahlt:
Vögel als Modelltiere (13.1.2002) Mäuse als Modelltiere (27.1.2002) Affen als Modelltiere (24.2.2002) Fliegen als Modelltiere (7.4.2002) Zebrafische als Modelltiere (1.5.2002)
Arabidopsis thaliana, diesen Namen kennen wohl nur Botaniker. Dabei ist die Pflanze hier in Deutschland fast allgegenwärtig, nur fällt das kleine Unkraut zwischen all den prächtigen Blumen, üppigen Gräsern und großen Bäumen kaum auf.
Es ist zum Beispiel möglich, Zehntausende von Pflanzen auf wenigen Quadratmetern in einem Laboratorium zu halten, was mit andern Pflanzen, wie zum Beispiel Mais natürlich nicht so einfach möglich wären.
Aus einer Rosette von dicklichen, leicht gezackten Blättern dicht am Boden ragen die Stängel etwa 20 cm empor. Seitlich tragen sie schmale Blättchen, an den Spitzen sitzen die Blüten mit den vier weißen Blütenblättern. Arabidopsis gehört zu den Kreuzblütlern, zu den nächsten Verwandten zählen Raps, Kohl und Senf.
Außerdem ist Arabidopsis eine interessant Pflanze, weil sie eine kurze Generationszeit hat. Das heißt, wenn ich einen Diplomanden hier habe oder eine Diplomandin, dann werden die auch innerhalb ihrer Diplomarbeit fertig, wenn sie neue Pflanzen generieren und nachher analysieren wollen.
Arabidopsis hat viele umgangssprachliche Namen. Thaleskresse, nach Johannes Thal der das Pflänzchen im sechzehnten Jahrhundert erstmals beschrieb. Wasserkresse, Ackerschmalwand, Gänsekresse. Ein Unkraut, das auf der ganzen Welt verbreitet ist.
Den eigentlichen Schub in die Molekularbiologie hat es erfahren, als man beobachtet hat, dass das Genom der Pflanze, also die Gesamtheit ihrer Erbanlagen, sehr kompakt strukturiert ist, also der Umfang des Erbgutes im Zellkern dieser Pflanzen ist besonders klein für eine höhere Pflanze, enthält aber alle Gene, die eine höhere Pflanze braucht und ist deswegen auch besonders günstig zu analysieren und zu untersuchen.
Arabidopsis wächst eigentlich fast überall an Wegrändern oder auf Parkplätzen. Man begegnet Arabidopsis auf Schritt und Tritt. Das letzte Mal, wo ich Arabidopsis gesammelt habe war tatsächlich im Urlaub, das war in der Bretagne und wir haben Boule gespielt auf einem Schotterparkplatz und eine der Boulekugeln ist eben in die Büsche gerollt und am Rand des Parkplatzes sind mehrere Arabidopsispflanzen halt gewachsen. Und wir haben die Samen halt mitgenommen.
In der Natur mag die Thaleskresse nur Nischen erobern, für ein Leben im Labor ist sie perfekt ausgestattet. Die Arabidopsisforschung boomt. In den Sechzigern kamen gerade mal 25 Wissenschaftler zu den Fachtagungen, heute übersteigt die Teilnehmerzahl leicht die Tausendermarke. Die schiere Masse an Forschungskraft hat Arabidopsis thaliana zur bestverstandenen Pflanze der Welt gemacht. Für Botaniker ist das Unkraut das, was für den Mediziner die Maus und für den Genetiker die Fruchtfliege ist. Die Sequenz der Arabidopsis DNA liegt, pünktlich zur Jahrtausendswende, seit dem Dezember 2000 vor, übrigens in deutlich besserer Qualität als die derzeit verfügbaren menschlichen Genomdaten. Hierzulande wird die Arabidopsisforschung vor allem von GABI gefördert, ein Kürzel für die Genom Analyse im Biologischen System Pflanze. Die deutsche Pflanzengenominitiative will den Wissenschaftlern Werkzeuge für die Forschung an die Hand geben. Und Werkzeuge, das sind für Genetiker vor allem genau definierte Mutanten, erläutert Dr. Jens Freitag, den Leiter der GABI-Geschäftstelle in Golm.
Wenn man weltweit diese Ressourcen zusammenfassen würde die in verschiedenen Laboren in der Welt bereits erzeugt wurden, kann man sagen das wirklich jedes Gen von Arabidopsis einmal ausgeschaltet wurde oder einmal verstärkt wurde in seiner Funktion.
Mit Arabidopsis ist jetzt möglich für irgendeinem x-beliebigen Gen zu suchen, ob es ein Mutante in dieses Gen gibt, die Pflanze zu bestellen sogar, nicht mehr selbst herzustellen sondern zu bestellen und die Auswirkungen auf die Pflanze zu untersuchen, was man nennt, den Phänotyp, also kippt sie um ist es größer ist es kleiner, ist es gelb ob die Stoffzusammensetzung geändert ist, ob sie richtig blüht und so weiter und so weiter. Diese systematische Forschung ist kaum möglich in anderen Systemen.
Genetikern, wie Prof. Mark Stitt vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam, macht Arabidopsis die Arbeit leicht. Doch dass allein erklärt den Forschungsboom um das kleine Unkraut nicht. Selbst Botanikern wäre Arabidopsis ziemlich gleichgültig, wenn sie nicht auch ein gutes Modell für viele andere Pflanzen wäre, erläutert Prof. Thomas Altmann, der ebenfalls in Golm forscht.
Zum Beispiel hat Arabidopsis keine Knollen so dass die Entwicklung der Knolle an der Kartoffel sicherlich an der Kartoffel studiert werden muss. Aber die prinzipiellen Vorgänge, die dazu führt, dass eine Knolle entsteht,. Nämlich die Stimulation von Zellteilung und Zellstreckung an einem bestimmten Bereich wird die gleichen Komponenten umfassen wie wir sie bei Arabidopsis kennen lernen können, nämlich die Komponenten die den Zellzyklus kontrollieren und die Komponenten die das Zellwachstum kontrollieren. Ebenso wird die Einlagerung der Stärke in die Kartoffelknolle die gleichen Schritte umfassen wie wir sie auch in Arabidopsis studieren können. Aber die speziellen Abstimmungen dieser Gene aufeinander um Knollen zu bilden, die müssen wir in der Kartoffelpflanze untersuchen.
Das Konzept eines Modellorganismus ist für die Botanik noch recht neu. Lange bevorzugte jeder Forscher seine eigene Pflanze. Der Siegeszug der Gentechnik hat dieses traditionelle Schrebergartendenken gehörig durcheinandergewirbelt. Jetzt sind auch auf dem Arbeitsfeld Pflanze großangelegte Forschungsprojekte nicht nur möglich sondern auch nötig. Und dabei führt an Arabidopsis kein Weg vorbei.
Arabidopsis haleri kommt vor allem auf Zinkminen vor oder metallverseuchten Standorten im Harz und auch an anderen Orten in Mitteleuropa und wurde von Mienenarbeitern sogar an ihren Stiefeln bis in die USA getragen und kommt auch dort auf Halden von Bergbaustädten vor.
Wie funktioniert Arabidopsisforschung? Thomas Altmann interessiert sich für pflanzliche Hormone, genauer gesagt die Brassicasteroide. Chemisch sind sie dem Östrogen oder dem Testosteron verwandt, in der Pflanze haben sie aber ganz andere Aufgaben. Brassicasteroide sind an der Kontrolle des Wachstums beteiligt. Ein komplexer Prozess, bei dem viel schief gehen kann: es gibt Hunderte zwergwüchsige Arabidopsis-formen. Ein Teil dieser Mutanten stammt aus dem Labor von Thomas Altmann, von anderen hat er sich die Samen per Post bestellt. Seine Arbeitsgruppe untersucht nun im Detail, wie die verschiedenen Gendefekte mit den Hormonen und der Wachstumsstörung zusammenhängen. Jede Einzelmutante bildet dabei eine Art Puzzelstein.
Für die Synthese sind viele Schritte aufgeklärt worden unter anderem durch die Nutzung von Mutanten die Biosynthesedefekte haben. Wir kennen also eine ganze Reihe von Genen die an diesem Stoffwechselweg essentiell beteiligt sind, die also nötig sind, um diese Hormone herzustellen und wir kennen auch mittlerweile eine ganze Reihe von Genen die an der Signalübertragungskette beteiligt sind, die von der Perzeption, also der Wahrnehmung des Hormons an der Zelloberfläche wahrscheinlich hin zu den Reaktionen der Zelle führt. Das heißt wir haben mit diesem Modellsystem nicht nur die Möglichkeit die Synthese, die Herstellung dieser Hormone zu untersuchen sondern auch wie die Pflanzenzelle auf diese Hormone reagiert.
In seinem Labor in Golm setzt Thomas Altmann die genetischen Puzzelsteine zusammen, um den ganzen Wirkzusammenhang der Pflanzenhormone zu verstehen. Das gelingt derzeit nur mit Hilfe von Arabidopsis, nur hier gibt es genug definierte Mutanten, nur hier ist es mit Hilfe der Sequenz und vieler genetischer Hilfsmittel möglich, die Mutanten schnell und verlässlich einzukreisen. Auch Dr. Ute Krämer verwendet Arabidopsis thaliana als Werkzeug in der Gensuche. Die junge Arbeitsgruppenleiterin am MAX-PLANCK-INSTITUT für molekulare Pflanzenphysiologie interessiert sich für die Metalltoleranz.
Die meisten Pflanzen vertragen nur geringe Metallmengen im Boden, doch es gibt Spezialisten, die selbst auf den Abraumhalden von Erzmienen gedeihen. Sie nehmen die Metallsalze wie andere Pflanzen durch die Wurzeln auf, es gelingt ihnen aber dann, sie in den Blättern so abzulagern, dass sie ihren Stoffwechseln nicht beeinträchtigen. So reichern diese Pflanzen die Metalle in zum Teil erheblichen Mengen an. In manchen alten Bergbaugebieten werden sie deshalb zur Entgiftung der Böden eingesetzt. Wenn sie die Tricks dieser Pflanzen verstanden haben, so hoffen die Forscher, dann werden sich gezielt metalltolerante Varianten von Nutzpflanzen züchten lassen, mit denen neue Flächen für den Ackerbau erschlossen werden können.
Auch Arabidopsis haleri ist so eine metalltolerante Pflanze. Äußerlich ähnelt diese nahe Verwandte von Arabidopsis thaliana dem Modellorganismus, aber A. haleri verträgt ein Vielfaches der Zink oder Cadmiumkonzentration.
Durch den Vergleich kann man sich ankucken welche Genprodukte in Arabidopsis haleri verstärkt vorhanden sind und kann so rückschließen auf eine Funktion dieser Genprodukte in der Metalltoleranz. Nun gibt es ein ganz spezifisches Gen, von dem auch schon früher vorgeschlagen wurde, dass es mit Metalle entgiften kann. Dieses Gen liegt in Arabidopsis haleri in vielen Genkopien vor, so dass sehr viel von diesem Genprodukt gemacht wird, und das ist für uns unserer Hypothese nach, einer der Mechanismen durch die Arabidopsis haleri eine verstärkte Metalltoleranz ereichen kann und das sagt uns etwas über die Funktion dieser Gruppe von Genen, ganz allgemein.
Der Vergleich der Arten führte Ute Krämer schon auf die Spur mehrerer Gene, die den Pflanzen helfen, mit Metallen fertig zu werden. Ob sie damit richtig liegt, kann sie leicht an Arabidopsis thaliana erproben, indem sie die entsprechenden Gene künstlich in die Modellpflanze einführt und dann prüft, ob sie mehr Zink und Cadmium vertragen.
Aus der Perspektive der Genetik bietet Arabidopsis thaliana die besten Voraussetzungen. Doch ein Organismus entwickelt sich nicht starr nach seinem genetischen Programm. Gerade Pflanzen, die sich nicht bewegen könne, um passende Lebensbedingungen zu suchen, müssen auf die Umwelt reagieren, werden von ihrem Wuchsort geprägt. Deshalb gilt vielleicht noch mehr als bei Tieren, das der Zusammenhang zwischen einem Gen und einer Funktion nicht geradlinig ist. Jede Eigenschaft der Pflanze wird von vielen Gene beeinflusst. Andersherum ist ein Gen unter verschiedenen Bedingungen vielleicht an unterschiedlichen Prozessen beteiligt.
Versuchsmäuse werden möglichst immer unter in Standardkäfigen mit Standardfutter unter Standardbedingungen gehalten. Bei Pflanzen reicht das nicht aus. Mark Stitt versucht die Vielfalt der natürlichen Herausforderungen an die Pflanzen im Labormaßstab nachzustellen.
Wenn wir eine Mutante bekommen und wir haben zum Beispiel ein Gen ausgeschaltet und wir möchten wissen, was ist die Funktion von diesem Gen. Wenn wir die Pflanze einfach unter Standardbedingungen anbauen es kann durchaus vorkommen, das wir überhaupt keinen Unterschied zum Wildtyp sehen, vor allem wenn dieses Gen wichtig für die Anpassung ist, und dementsprechend ist es wichtig Pflanzen unter einer Reihe von verschiedenen Bedingungen anzubauen um die Auswirkungen von einem Gen zu erfahren. Ein Bild reicht nicht aus, sondern man muss mehrere nehmen, wo man Temperatur ändert, Tageslicht ändert, vielleicht Nährstoffe ändert, alle von diesen Faktoren haben große Auswirkungen auf eine Pflanze, wie es aussieht und dementsprechend muss man dann die Pflanzen unter diesen Bedingungen anbauen wenn man wissen will, was ist die Funktion von einem Gen.
Im Keller des Max-Planck-Institutes für molekulare Pflanzenphysiologie stehen reihenweise Klimakammern. Sie erinnern an überdimensionalen Kühlschränke, nur dass man nicht nur die Temperatur genau regeln kann, sondern auch die Beleuchtung im Inneren, die Feuchtigkeit und den Kohlendioxidgehalt der Luft und noch einiges anders mehr. Hinter den gut isolierten Türen geht die Sonne in Form von Neonröhren über Tausenden kleinen grünen Pflänzchen auf. Die meisten wachsen nicht in Blumentöpfchen sondern auf Agarplatten. In dem durchsichtigen Nährmedium steckten die Keime mit einem Zentimeter Abstand, 60 Arabidopsis-Pflänzchen auf einer Platte, Dutzende Platten in der Klimakammer. Botanik im Großmaßstab. Aber nur so, mit dieser Vielfalt an Zuchtbedingungen, kommt man der Beziehung zwischen Gen und Funktion wirklich auf die Spur.
One of the high volcano’s in the pacific north west I hiked to old growth forest up to timberline, climbing for about three hours until I came of the base of a large mountain glacier on top of the volcano and there at the base of the glacier in the cracks of the rock, I found Arabidopsis lyrata the closest wild relative of Arabidopsis thaliana.
An einem hohen Vulkan im Pazifischen Nordwesten der USA bin ich durch den uralten Wald bis zur Baumgrenze gewandert. Nach drei Stunden Kletterei kam ich an den Fuß des Gletschers auf diesem Vulkan. Und dort, am Fuß des Gletschers, in den Ritzen der Felsen fand ich Arabidopsis lyrata, den nächsten wilden Verwandten von Arabidopsis thaliana.
In Versuchtieren, bei der Fruchtfliege oder der Maus, werden die meisten Mutationen künstlich, mit Hilfe von Chemikalien erzeugt. Das ist bei Arabidopsis genauso möglich, doch die Pflanze bietet einen weiteren Vorteil. Ihr Verbreitungsgebiet reicht von Schweden bis zu den Kapverdischen Inseln, von Japan bis in die USA. Überall auf der Welt gibt es kleine Populationen, die sich an die lokalen Umweltbedingungen angepasst haben. Dieses Ökotypen unterscheiden sich in einer Vielzahl von Merkmalen von der Standard Labor-Arabidopsis, dem Columbia Typ, der im übrigen ursprünglich aus Landsberg stammt.
Künstlich erzeugte Mutanten zerstören meist eine Genfunktion, das Studium der natürlichen Variation erlaubt es, auch subtilere Effekte zu erfassen. Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beschäftigt sich Dr. Jürgen Kroymann mit den Senfölglykosiden.
Senfölglycosiede sind eigentlich jedem bekannt, der Kohl oder Senf oder Meerrettich schon mal gegessen hat. Diese Kompone nten sind verantwortlich für das scharfe prickelnde Gefühl in der Nase oder im Mund.
Die Pflanze verwendet Senföglykoside um Fraßfeinde abzuwehren. Denn vielen Insekten verderben diese Chemikalien gründlich den Appetit, vor allem sogenannten Generalisten, die an Blättern gleich welcher Art nagen. Allerdings ist diese Abwehrwaffe zweischneidig. Denn es gibt spezialisierte Insekten, die sich von den Senfölglykosiden nicht beeindrucken lassen. Schlimmer noch, der Kohlweißling zum Beispiel kann die Abbauprodukte der Senfölglykoside riechen und findet so gezielt Kohlpflanzen, um darauf seine Eier abzulegen. Die Pflanze muss ihre Abwehrstrategie deshalb der Insektenpopulation ihres Standorts anpassen. Überwiegen die Generalisten, lohnt es sich, sie mit Senfölglykosiden abzuwehren, dominieren Spezialisten sollte die Pflanze eher mechanischen Barrieren als chemischen Kampfstoffen vertrauen.
Das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie sammelt auf der ganzen Welt Arabidopsis Ökotypen. Und tatsächlich unterscheiden sie sich deutlich in ihrem Senfölglykosid-Gehalt, sie werden auch in den Fraßkammern der Laboratorien ganz unterschiedlich von Kohlweißlingraupen angenagt. Jürgen Kroymann hat solche Ökotypen gekreuzt. Bei vielen Dutzenden von Nachkommen wurde die chemische Verteidigungsbereitschaft bestimmt und genau analysiert, welcher Teil des Erbgutes von welcher Elternpflanze stammte. Auf diesem Weg gelang es viel schneller, als mit klassischen Methoden, die Gene zu finden, die für die Bildung der Senfölglykoside verantwortlich sind. Ein Erfolg, der durchaus praktische Anwendungen haben kann.
Wenn man versteht, welche Gene dafür verantwortlich sind in Arabidopsis kann man versuchen die entsprechenden Gene auch in verwandten Pflanzen oder in Nutzpflanzen zu finden. Daraufhin kann man dann dieses Gene oder Varianten der Gene in die Nutzpflanzen einbringen die gewünschte Effekte haben. Große Mengen an Senfölglykosinolaten können unter Umständen ungünstig sein, wenn man die Pflanzen als Tierfutter verwenden will, weil bestimmte Senfölglykoside Krankheiten verursachen können auf der anderen Seite zeigt sich dass die Abbauprodukte der Senfölglykosiden in Broccoli zum Beispiel einen fördernden Effekt die Gesundheit der Menschen haben können, weil sie zum Beispiel vor Krebs schützen können.
Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie werden die natürlichen Varianten von Arabidopsis aber nicht in erster Linie als Hilfsmittel der Gensuche gesammelt. Die Pflanze ist einer der wenigen Organismen, an dem sich das Zusammenspiel zwischen Genen, Evolution und Umwelt im Detail untersuchen lässt. Einige Arabidopsispopulationen verfolgen die Forscher über Jahre im Freiland, registrieren die Veränderungen von Lichtmenge, Feuchtigkeit, Bodenqualität, sogar beim Befall mit Insekten und vergleichen diese Daten mit den Veränderungen in den Genen der Pflanzen. Welche Erbgutvarianten setzen sich durch, welche verschwinden. Mikroevolution nennt sich dieses Studiengebiet.
Licht ist entscheidend im Leben einer jeden Pflanze. Kein Wunder, dass Pflanzen die Lichtmenge nicht nur passiv hinnehmen, sondern sich aktiv um eine optimale Beleuchtung kümmern, sich dem Licht entgegenstrecken. Das macht allerdings nur Sinn, wenn nicht etwa eine Felswand den Standort generell verdunkelt, sondern wenn die Pflanze im Schatten von Konkurrenten steht, über die sie potentiell hinauswachsen kann. Welcher Art der störende Schatten ist, registrieren Pflanzen mit Hilfe von Phytochromen, diese Farbstoffe reagieren auf die Farbe des Lichts. Wenn grüne Blätter von Konkurrenten die roten Anteile der Sonnenstrahlung herausfiltern, geben die Phytochrome das Signal: wachse zum Licht.
Colleges at Browns University in Rhode island have studied genetic variation in theses light sensing molecules and have shown different genotypes respond to their light environment in different ways and the ways that they respond in fact adapts them, closely fits their fitness so that it is maximised in particular light environments are they are in open sun, are they in shade where there is shading by leaves by their neighbours theses change the wavelength that reaches the plants. The phytochom proteins control the way the plant grows and this brings about adaptation to maximise the fitness of different genotypes in different environments. They showed, that the responses of theses plants t the light environment is closely fitted to natural selection in the wild. And that the respond of the plants does indeed increase their fitness in relationship to the ecological environment.
Kollegen der Browns University haben untersucht, welche Variationen es bei diesen Lichtsensoren gibt. Verschiedene Ökotypen reagieren auf unterschiedliche Weise auf das Licht in ihrer Umgebung. Und zwar genau so, dass ihre Fitness, die Zahl der Nachkommen, in ihrer natürlichen Lichtumgebung am größten ist. Ob das nun ein sonniger Standort ist oder ein schattiger, an dem die Blätter der Nachbarpflanzen die Farbe des Lichtes verändern. Sie konnten zeigen, dass die Reaktion der Pflanze auf das Licht genau an die Bedingungen am natürlichen Standort angepasst ist und dass so tatsächlich die Fitness der Pflanzen in dieser Umgebung gesteigert ist.
Fünf Gene steuern in Arabidopsis die Bildung verschiedener Phytochrome, und ihre Varianten sind offenbar genau an den jeweiligen Standort angepasst. Die Thaleskresse bietet die einzigartige Möglichkeit die Evolution in der Umwelt bis hin zur Ebene der Gene genau zu untersuchen.
In Nordamerika in Montan und in Idaho gibt es sehr große unberührte Landstriche wo sich über Hunderte von Quadratkilometern keine menschliche Ansiedlung befindet und wir sind in der Wildnis wandern gegangen um halt Verwandte von Arabidopsis thaliana zu finden. Man findet die zum Beispiel entlang von Flüssen oder an Hügeln die bewaldet sind oder auch nicht bewaldet sind. Wir sind zu einer Zeit sammeln gewesen als die Pflanzen ihre Schoten schon ausgebildet hatten und man erkennt diese dann relativ einfach wenn man sich leicht schräg vor diesen Hügel stellt und gegen das Licht kuckt eben an ihrer charakteristischen Wuchsweise.
Ein Tier läuft weg, eine Pflanze passt sich an. Eine Konsequenz dieser groben Regel ist, dass Pflanzen einen viel umfangreicheren Stoffwechsel haben. Sie kümmern sich nicht nur um die Pflicht des Lebens, das Bereitstellen von Energie und Baustoffen, sondern tanzen auch eine chemische Kür, bilden eine Vielzahl von Substanzen für die Wechselfälle des Lebens. Deshalb stammen noch immer viele Arzneimittel aus Pflanzen. Diese Fähigkeit zur chemische Vielfalt lässt sich zum Teil im Erbgut ablesen. So hat Arabidopsis viele Dutzend p-450 Gene, Gene für Enzyme, die exotischere Reaktionen katalysieren. Tiere kommen mit viel weniger aus. Was jedes einzelne dieser Gene genau leistet ist bislang nicht bekannt und kann mit den Mitteln der Herkömmlichen Gentechnik auch nicht erschlossen werden. Einen Ausweg bietet die Analyse des Metaboloms.
So wie das Genom die Gesamtheit des Erbgutes ist, so ist das Metabolom die Gesamtheit der kleinen Moleküle der Zelle. Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, Abwehrstoffe, Pflanzengifte, Botenmoleküle. Mit modernen Methoden lässt sich eine Art Schnappschuss des Stoffwechsels aufnehmen. Dazu zerkleinert man ein Stück Blatt oder ein anderes Gewebe. Der Zellsaft wird dann in seine Einzelbestandteile aufgetrennt, meist mit Hilfe der Gaschromatographie. Die Moleküle wandern dabei über eine Matrix, je besser sie haften, desto länger brauchen sie. Am Ende kommen die Substanzen eine nach der anderen heraus und gelangen in einen Massenspektrographen, wo ihre Molekulargewichte sehr genau bestimmt werden. In großen Tabellen ist verzeichnet, welches Molekül welches Molekulargewicht hat. Am Ende erhalten die Wissenschafter eine Liste, in der die Art und die Menge von rund 1000 Einzelbestandteilen eines Gewebes aufgelistet sind.
Der Blick den wir haben ist viel näher am Endprodukt oder an dem Ausgang dessen dran, was die Pflanze eigentlich will. Das heißt, wenn wir zum Beispiel einen trockenen und heißen Sommer haben, dann muss die Pflanze dagegen ankämpfen. Und sie kämpft dagegen an indem sie meinetwegen das Wachstum verlangsamt oder die Schließzellen länger geschlossen hält und versucht die Speicherprodukte optimal auszunutzen. Und diesen Prozess den sehen wir auf der Seite des Metaboloms viel deutlicher oder amplifiziert, wie unter einer Lupe vergrößert. Das heißt wir kriegen auch kleine Effekte besser gemessen.
Dr. Oliver Fien, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie ist sichtlich Stolz auf seine Geräte, große, laute Kisten, in die an der einen Seite etwa ein Blattextrakt injiziert wird und die nach einer Weile am anderen Ende auf dem Computerbildschirm das Resultat ihrer Analyse präsentieren. Wenn die Gentechnologen ein einzelnes Gen verändern, dann reagiert das gesamte Geflecht des Stoffwechsels auf diese Störung. Die Effekte eines solchen Eingriffs lassen sich nicht immer vorhersagen. Gerade Oliver Fien hat zum Beispiel einmal eine Arabidopsismutante analysiert, die die Energie des Sonnenlichts zwar auffangen, dann aber nicht verwerten konnte. In der Metabolomanalyse zeigte sich, dass diese Pflanzen eine Substanz namens Citramalat im Übermaß bildeten. Die Ursache ließ sich in einer genauen Analyse des Stoffwechselprofil ableiten.
Die Pflanze hat zuviel Lichtenergie, was passiert dabei ist, dass Ammonium freigesetzt wird und Ammonium ist erstens sehr wichtig und zweitens toxisch, muss also sofort wieder gebunden werden. Deshalb hat die Pflanze angefangen große Mengen an Aminosäuren zu bilden und um die nötige Menge an Kohlenstoffgerüsten bereitzustellen wurde dann ein Stoffwechselweg über das Citramalat angeschaltet. Das konnten wir auch direkt sehen aus den Metabolomanalysen und versuchen das jetzt sozusagen mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden diese rein aus der Analytik gewonnen Hypothesen zu verifizieren.
Der Lichtstress brachte den ganzen Stoffwechsel aus dem Gleichgewicht. Letztlich aktivierten die Pflanzen dann einen ganz neue Stoffwechselweg der bislang nur aus Bakterien bekannt war. Ein völlig überraschender Effekt, den keine noch so genau Analyse des Arabidopsisgenoms hätte vorhersagen können. Die komplexe Biologie einer Pflanze lässt sich über die Gene allein nicht verstehen. Andersherum kann die Analyse des Metaboloms sehr wohl auf die Spur neuer Gene führen. Die Golmer Kollegen von Oliver Fien konnten inzwischen auch in Arabidopsis neue Gene für den Citramalat Stoffwechsel finden.
Wenn es um gentechnisch veränderte Nahrungsmittel geht, könnte die Metabolomanalyse sicherstellen, das sie wirklich keine unerkannten Schadstoffe bilden. Kein Wunder, dass das Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie inzwischen zusammen mit der BASF eine Firma gegründet hat, die versucht, mit Hilfe der Metabolomanalyse auch Geld zu verdienen. Metanomics züchtet eine Vielzahl von Arabidopsismutanten unter einer ganze Reihe von Aufzuchtsbedingungen und analysiert dann, wie der Stoffwechsel der Pflanzen reagiert. So hoffen die Forscher Wege zu finden, um den Nährstoffgehalt zu verbessern und Pflanzen zu züchten, die die Gesundheit fördern.
In November last year I collected arabidopsis lyrata in the high mountains of central Taiwan in tropical south east Asia. Theses mountains actually look very much like what we see in the Alps here in Europe. When we go to the alpine grasslands the grass is bamboo and in the openings between the bamboo we find arabidopsis lyrata and as we hike through this alpine meadows looking for arabidopsis the other thing we have to look out for is cobra and fife species of poisonous snakes.
Letzten November habe ich Arabidopsis lyrata im Hochgebirge Taiwans gesammelt in Südost Asien. Diese Berge ähneln unseren Alpen in Europa. Nur wächst dort kein Gras sondern Bambus. Und auf den Lichtungen zwischen dem Bambus fanden wir Arabidopsis lyrata. Und während wir über diese alpinen Wiesen wanderten, mussten wir die Augen nicht nur für Arabidopsis offen halten sondern auch noch für Kobras und fünf andere Giftschlangen.
Arabidopsis ist die Pflanze der Grundlagenforscher. Inzwischen beginnt das ehemalige Unkraut aber vom Labor aus auch die Felder der Bauern zu beeinflussen, positiv zu beeinflussen. Zum Beispiel von Jena, vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, bis nach Asien, erzählt Thomas Mitchell-Olds.
In the Asian tropics people grow Chinese cabbage across Asia and across china. And many small farmers grow cabbage and related species for their families and to take them to markets to support their families. These are attacked by many insect species. Exactly the insect species we are studying in Arabidopsis and from theses studies we find some genes that may enable Asian farmers to improve production of theses Brassica plants for their families and for support for the economies of their countries.
Im tropischen Asien wird viel Chinakohl angebaut. Viele kleine Bauern züchten Kohl und verwandte Arten für ihre Familien und um sie auf dem Markt zu verkaufen. Diese Arten werden von vielen Insekten angegriffen, genau den Insekten, die wir auf Arabidopsis untersuchen. Wir hoffen, dass die Gene, die wir bei unserer finden, den Bauern in Asien helfen, höhere Erträge für ihre Familien und für die Wirtschaft ihrer Länder zu erzielen.
Die Wiederstandsfähigkeit gegen Insekten ist aber längst nicht die einzige interessante Eigenschaft bestimmter Arabidopsis Ökotypen.
Arabidopsis stammt wahrscheinlich aus der sibirischen Steppe und kann deshalb Frost sehr gut vertragen. Allerdings nur, wenn die Pflanzen vorher Zeit hatten, sich an kältere Bedingungen zu gewöhnen. Inzwischen ist bekannt, das in dieser Anpassungsphase bestimmtes genetisches Programm aktiviert wird, das von ein oder zwei Regulatoren gesteuert wird. Bringt man Arabidopsis mit gentechnischen Tricks dazu, diese Regulatoren ständig zu bilden, dann sind die Pflanzen dauerhaft vor Frost gewappnet. Inzwischen gelang es auf diesem Weg auch Raps kältetolerant zu machen. Ein anderes Beispiel ist eine Arabidopsismutante, die dafür sorgt, dass die Pflanze zu blühen beginnt, kaum dass sie aus dem Boden gewachsen ist. Dieses Gen soll jetzt in Pappeln übertragen werden, damit die Bäume schon nach einem, statt nach fünf oder zehn Jahren blühen. Die Züchter könnten dann erstmals beginnen, auch Bäume zu kreuzen und so zu verbessern.
Die Arabidopsisforschung lässt sich aber nicht nur dazu nutzen, neue gentechnisch veränderte Pflanzen zu schaffen, ein Weg, dem ja viele skeptisch gegenüberstehen. Auch die konventionelle Züchtung kann aber von der Arbeit an der Modellpflanze profitieren. Ist erst einmal bekannt, welche Genvarianten etwa für die Kältetoleranz verantwortlich sind, dann können die Züchter gezielt nach ähnlichen Varianten in ihrem Pflanzenmaterial suchen. Und auch beim Kreuzen selbst ist das an Arabidopsis gewonnene Wissen ausgesprochen hilfreich, meint Thomas Altmann.
Das passiert schon, das wird in Züchtungsprogrammen bereits effektiv eingesetzt z.B. wenn aus Landrasse oder aus einer Wildform eine klar definierte Eigenschaft eingeführt werden soll Beispielsweise die Resistenz gegenüber einem Pathogen also die Unanfälligkeit gegenüber einem Pflanzen Krankheitserreger. Und wenn man nun kennt in welchem Segment der Wildform sich das günstige Gen befindet dann kann man sehr effizient aus seinen Kreuzungen diejenigen Produkte heraussuchen, die möglichst nur dieses Segment erhalten haben und wo der Rest des Genoms aus der Form der Kulturart, der Hochleistungssorte besteht um somit den Prozess der Einführung dieses gewünschten Gens oder Genomabschnittes zu beschleunigen.
Am Wegrand mag Arabidopsis ein kleines, unauffälliges Unkraut sein. Im Labor führt die Modellpflanze nicht nur die Grundlagenforschung in der Botanik zu neuer Blüte, sie hat auch das Potential, die Äcker zu verändern.
Arabidopsis ist einfach einige Schritte, bei vielen Fragestellungen einige Schritte den anderen Pflanzen voraus.
In der Reihe "Leben für die Wissenchaft" haben wir außerdem folgende Themen ausgestrahlt:
Vögel als Modelltiere (13.1.2002) Mäuse als Modelltiere (27.1.2002) Affen als Modelltiere (24.2.2002) Fliegen als Modelltiere (7.4.2002) Zebrafische als Modelltiere (1.5.2002)