Die Pappeln zu mehr Vielfalt anregen

Pappeln wie diese "Populus canadensis" sind weltweit ökonomisch wichtige Nutzpflanzen. Biotechnologen hoffen, sie in Zukunft noch vielseitiger zu machen.

Quelle: Rasbak/Wikimedia

Bäume sind ein interessantes Gebiet für Pflanzenforscher. Weil es von einer Generation zur nächsten recht lange dauert und natürliche Mutanten selten sind, stoßen konventionelle Methoden jedoch schnell an ihre Grenzen. Wissenschaftler des Instituts für Forstgenetik in Großhansdorf wollen nun zwei schon bei anderen Pflanzen funktionierende gentechnische Methoden nun auch bei der Pappel etablieren. Damit könnten in Zukunft vielleicht die Resistenz gegen Pilze gesteigert oder der Holzgehalt der schnell wachsenden Baumart erhöht werden. Unterstützt wurde das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Dach der Initiative "Genomanalyse im biologischen System Pflanze"(GABI).

Pappeln dienen zur Holzerzeugung, verschönern die Landschaft, bieten Vögeln und anderen Lebewesen Unterschlupf, und sind als Charakterbäume der Auwälder Bestandteil der Kulturlandschaft. Sie haben aber auch den Weg in die Labors der Molekularbiologen gefunden, wo sie als Modell stellvertretend für andere Baumarten analysiert werden. Da sie schnell wachsen, leicht über Stecklinge vermehrt werden können, ihre Erbmasse mit einer halben Million Gene relativ klein ist, die männlichen und weiblichen Bäume kontrolliert gekreuzt werden können und sie noch dazu über große Teile der Welt verbreitet sind, bieten sie Vorteile, die etwa Eichen oder Fichten nicht haben. Das alles hat die Pappel zur Laborratte unter den Bäumen gemacht. Ein Exemplar von Populus trichocarpa war 2004 nach dem Reis und der Ackerschmalwand die dritte Pflanze und erste Baum, dessen Genom vollständig sequenziert wurde. Auf den 19 Chromosomen mit 480 Millionen Basenpaaren entdeckte ein internationales Forscherteam an die 40.000 Gene.

Sanierungshelfer für belastete Böden

Noch allerdings sind die meisten Funktionen der Pappelgene unbekannt. Weltweit wollen Wissenschaftler das nun ändern. Denn weil Pappeln schnell wachsen, sind sie als Lieferant für nachwachsende Rohstoffe interessant. So gewinnt Pappelholz als Rohstoff für die Papierherstellung und als klimafreundlicher und kostengünstiger Brennstoff zunehmend an Bedeutung. Die gesteigerte Nachfrage stellt Wirtschaft und Wissenschaft allerdings vor neue Herausforderungen, denn lange Zeit wurde an der Pappelzüchtung kaum gearbeitet, neue Sorten für aktuelle Anforderungen gibt es nicht. Die langen Zeiträume, in der neue Baumgenerationen entstehen, erschweren zudem eine schnelle Züchtungsarbeit mit konventionellen Methoden. Aus diesem Grund sind Genomforscher hier besonders in der Pflicht. Um die Züchtung neuer Sorten voranzutreiben, steht deshalb vor allem die Suche nach den Genen im Zentrum der Bemühungen, die für eine veränderte Holzqualität, bessere Schädlingsresistenz, erhöhte Toleranzen gegen Temperaturschwankungen, Salzgehalt oder Trockenheit, veränderte Blüheigenschaften und verbesserte Schwermetallaufnahme stehen. Auch die Forscher um Matthias Fladung vom Institut für Forstgenetik am Johann Heinrich von Thünen-Institut in Großhansdorf beschäftigen sich mit der sogenannten "Funktionellen Genomik" bei der Pappel - also der Aufklärung der Funktionen von Genen und Proteinen sowie ihrer Regulation auf der Ebene des gesamten Genoms. Keine ganz leichte Aufgabe, denn trotz ihrer vielen Vorteile sind Pappeln für Pflanzenforscher mit vielen Schwierigkeiten verbunden. So lassen sich nur sehr schwer Bäume mit einer unterschiedlichen genetischen Ausstattung züchten - die Grundlage für Analysen der funktionellen Genomik.

So erzeugt die klassische Methode des Stilllegens bestimmter Gene, wie es etwa bei den bekannten Knock-out-Mäusen geschieht, bei den Bäumen genetische Mutanten, die vornehmlich rezessiv sind, also zunächst keine Veränderung verursachen und bei einer Kreuzung mit einem nicht veränderten Baum in der nächsten Generation wieder komplett verschwinden würden. Nur eine Selbstbestäubung mit zwei rezessiven Varianten könnte helfen, doch das ist bei vielen Bäumen - wie auch der Pappel - nicht möglich. Ein Ausweg ist aus Sicht der Großhansdorfer Wissenschaftler die sogenannte Aktivierungsmarkierung ("Activation Tagging"), die nicht auf das Stilllegen, sondern auf das Verstärken bestimmter Gene setzt. Dabei werden genetische Elemente, die aus einem Virus stammen, zufällig ins Genom der Pflanze integriert. Die sogenannten Promoterlelemente können dann die Wirkung benachbarter Gene verstärken, was sich wiederum in einem veränderten Aussehen der Pflanze, also einem veränderten Phänotyp niederschlägt.

Springende Gene bringen Veränderung

Nun mussten die Promoterlemente nur noch vor Ort ins Erbgut der Pappeln gebracht werden. Auch das ist bei Pappeln nicht so einfach. Beim Mais funktioniert das mit Hilfe sogenannter Transposons.  Transposons (von lateinisch transponere "versetzen") sind bewegliche genetische Elemente, die ihre Position innerhalb des Genoms verändern können. Sie sind mehrere Millionen Jahre alt und haben sich in die Erbanlagen aller Organismen, vom Bakterium über Maispflanzen bis hin zu Säugetieren eingeschlichen. Wie Flöhe springen, bewegen und vermehren sie sich im Erbgut ihrer Wirte. Sie werden deshalb auch als springende Gene bezeichnet. Erstmals entdeckt wurden sie von der US-amerikanischen Botanikerin Barbara McClintock in Maispflanzen, die darüber 1950 im Fachmagazin PNAS berichtete und dafür 1983 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Damals wiederlegte die Forscherin mit den Transposons die Theorie, dass alle Gene an bestimmten Orten im Chromosom fest verankert sind.

Im Mais ist die Familie der Ac/Ds-Transposons bekannt. Zu einem Transposon gehört dabei ein Gen für ein spezielles Enzym (Ac-Transposase), das bestimmte Signale (Ds-Sequenzen) in der DNA "erkennt", dort Stücke aus der DNA herausschneidet und sie an einer anderen, nicht vorhersagbaren Stelle wieder in die Erbsubstanz integriert. Inzwischen haben Forscher herausgefunden, dass die Transposase nur dann ein "Springen" eines Gens bewirkt, wenn ein Ds-Signal vorhanden ist. Die Ac/Ds-Transposons sorgen beim Mais für Varianten mit unterschiedlich gefärbten Körnern. Was die Transposons zu einem wertvollen Werkzeug der Biotechnologie werden lässt, ist die Tatsache, dass sie in unterschiedlichsten Organismen funktionieren  und sich Gensequenzen einschleusen lassen (mehr...).

Die Forscher des Instituts für Forstgenetik in Großhansdorf standen nun vor der Aufgabe, die beiden Techniken der Aktivierungsmarkierung und der Transposons bei Pappeln erstmals anzuwenden und zu kombinieren, um  die Funktionen der Pappelgene Stück für Stück analysieren zu können. Das gelang ihnen während eines Projekts, das unter dem Dach der GABI-Initiative (mehr...) vom BMBF gefördert wurde. Bei ihren Arbeiten konnten die Wissenschaftler außerdem auf ähnliche Forschungen beim Tabak zurückgreifen. In den Jahren 2008 und 2009 entstanden mithilfe der neuen Methoden schließlich insgesamt 14.000 Pflanzen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung, die zu verschiedenen phäntypischen Variationen führten und analysiert werden konnten. In weiteren Arbeiten geht es nun darum herauszufinden, wo sich die Aktivierungsmarkierung bei diesen Varianten im Erbgut platziert hat. Alle Ergebnisse sollen in einer "Populus-Mutanten-Datenbank" dokumentiert werden, um so Schritt für Schritt zu verstehen, welche Gene im Erbgut der Pappeln welche Funktion erfüllen. Dies wiederum legt die Basis dafür, dass sich neue Pappelsorten schneller als bisher züchten lassen.