Andere erkennen, aber nicht sich selbst: Neue Erkenntnisse über die Paarung von Pflanzen

Selbstbefruchtung ist ein Problem, denn sie führt zu Inzucht. Pflanzen haben daher Erkennungssysteme die sicherstellen, dass sie sich nur mit genetisch anderen Pflanzen paaren und nicht mit sich selbst. Die Erkennungssysteme, die dieser Selbstunverträglichkeit zugrunde liegen, sind allgegenwärtig: sie finden sich in mindestens 100 Pflanzenfamilien und 40 Prozent der Arten. Wie sich die erstaunliche Vielfalt in diesen Systemen entwickelt, war bisher unbekannt. Ein Forscherteam des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) hat nun die ersten Schritte unternommen, um zu entschlüsseln, wie sich neue Paarungstypen in Selbsterkennungssystemen entwickeln. Diese führen zur unglaublichen genetischen Vielfalt in der Natur. Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe von Genetics veröffentlicht.

Landet der Pollen zum Beispiel eines Löwenmäulchens oder einer Petunie auf dem Stigma, keimt er und beginnt zu wachsen. Das Stigma jedoch enthält ein Toxin (eine SRNase), das das Pollenwachstum stoppt. Der Pollen wiederum hat eine Gruppe von Genen (sogenannte F-Box-Gene), die Gegenmittel gegen alle Toxine produzieren, außer gegen das Toxin, welches das eigene Stigma enthält. Er kann daher wachsen, wenn er auf dem Stigma einer anderen Pflanze landet, aber nicht, wenn er auf dem Stigma der eigenen Pflanze landet. Es mag nach einem harschen System klingen, aber das Toxin-Antidot-System stellt sicher, dass sich Pflanzen nur mit genetisch anderen Pflanzen paaren. Dies ist wichtig, da Selbstbefruchtung zur Inzucht führen würde, die sich negativ auf die Nachkommen auswirkt. 

In solchen Nicht-Selbsterkennungssystemen arbeiten die männlichen (Pollen) und weiblichen (Stigma) Gene als Team zusammen, um die Erkennung zu bestimmen. Bestimmte Varianten der männlichen und weiblichen Gene bilden jeweils einen Paarungstyp. Nicht-Selbsterkennungssysteme haben eine erstaunliche Vielfalt an Paarungstypen. Daher lautet die große Frage in ihrer Evolution: Wie kann ein neuer Paarungstyp entstehen, wenn dies eine Mutation auf beiden Seiten erfordert? Gibt es zum Beispiel eine Veränderung in der weiblichen Seite (Stigma), produziert diese ein neues Gift, für das kein Pollen ein Gegenmittel hat – also kann keine Paarung stattfinden. Muss also stattdessen zuerst eine Veränderung der männlichen Seite (Pollen) erfolgen, sodass ein neues Gegenmittel entsteht, welches dann auf eine entsprechende Veränderung des Stigmas (weibliche Seite) wartet? Aber wie funktioniert diese Koevolution, wenn Evolution ein Zufallsprozess ist? Gibt es eine bestimmte Reihenfolge von Mutationen, die eher zu einem neuen Paarungstyp führt? 

Um zu entschlüsseln, wie solche komplexen Systeme der Nicht-Selbsterkennung entstehen, kooperierte Melinda Pickup, Postdoc in der Gruppe von Nick Barton am IST Austria und experimentelle Pflanzenbiologin, mit den TheoretikerInnen und ehemaligen Postdocs in der Barton-Gruppe Katarina Bodova, jetzt Assistant Professorin an der Comenius Universität in Bratislava, Tadeas Priklopil, jetzt Postdoc an der Universität Lausanne, sowie David Field, jetzt Assistant Professor an der Universität Wien. Dieses Projekt ist ein Beispiel für eine Situation, in der Interdisziplinarität der Schlüssel zum Erfolg ist, denn die Beantwortung der biologischen Frage erfordert die Fähigkeiten von WissenschaftlerInnen aus sehr unterschiedlichen Forschungsbereichen: aus der Evolutionsgenetik, der Spieltheorie und der angewandten Mathematik. „Dieses Projekt zeigt, wie die Zusammenarbeit von WissenschaftlerInnen mit sehr unterschiedlichen Hintergründen biologische Erkenntnisse mit mathematischen Analysen verbinden kann, um ein faszinierendes evolutionäres Rätsel zu lösen“, erklärt Nick Barton.

Durch theoretische Analyse und Simulation untersuchten die ForscherInnen, wie neue Paarungstypen in einem Nicht-Selbsterkennungssystem entstehen. Sie fanden heraus, dass es verschiedene Wege gibt, auf denen sich neue Paarungstypen entwickeln können. In einigen Fällen geschieht dies durch eine Zwischenstufe der Selbstbefruchtung, in anderen Fällen jedoch durch Selbstunverträglichkeit. Sie fanden auch heraus, dass sich neue Paarungstypen nur dann entwickelten, wenn die Kosten der Selbstbefruchtung hoch waren. Die Unvollständigkeit, also das Fehlen von F-Box-Genen, die Gegenmittel für weibliche Toxine produzieren, ist ebenfalls wichtig für die Entwicklung neuer Paarungstypen: Komplette Paarungstypen (mit einem vollständigen Satz von F-Box-Genen) blieben am längsten erhalten, da sie die höchste Anzahl von Paarungspartnern haben. Neue Paarungstypen entwickelten sich leichter, wenn es wenige Paarungstypen in der Population gab. Auch die demographische Entwicklung einer Population beeinflusst die Entwicklung von Nicht-Selbsterkennungsystemen: Populationsgröße und Mutationsraten beeinflussen ihre Evolution.

Obwohl es so scheint, als ob der beste Weg, auf dem neue Paarungstypen entstehen, der ist, bei der eine Pflanze ein vollständiges Team von F-Box-Genen (und damit Gegenmittel) hat, ist dieses gesamte System komplex und kann sich durch verschiedene Wege verändern. Interessanterweise fanden die ForscherInnen in ihren Simulationen zwar, dass neue Paarungstypen entstehen können, die Vielfalt der Gene in ihren theoretischen Simulationen war aber geringer als die in der Natur beobachtete Vielfalt. Für Melinda Pickup ist diese Beobachtung faszinierend: „Wir haben das System verstanden, aber es gibt noch viele offene Fragen und das Geheimnis der hohen Vielfalt in der Natur existiert weiterhin.“

Publikation:

Katarína Boďová, Tadeas Priklopil, David L. Field, Nicholas H. Barton & Melinda Pickup. 2018. Evolutionary Pathways for the Generation of New Self-Incompatibility Haplotypes in a Non-self Recognition System. Genetics, DOI: 10.1534/genetics.118.300748