Ohne Samen, ohne Pollen: Ein Gen lässt Pflanzen sich selbst klonen

Viele Pflanzen brauchen keine Blüte und keinen Samen, um sich zu vermehren. Erdbeeren schicken Ausläufer über den Boden, Kartoffeln wachsen aus einer einzigen Knolle neu heran. Manche Arten gehen noch weiter – sie können sich klonen, indem sie winzige Brutkörper bilden, aus denen direkt eine neue Pflanze entsteht.

Wie dieser natürliche Klonprozess startet, blieb lange unklar. Forscher haben nun beim Lebermoos Marchantia polymorpha ein Gen entdeckt, das wie ein genetischer Startknopf wirkt. Sobald es aktiv wird, beginnt die Pflanze damit, ihren eigenen Nachwuchs zu bauen.

Lebermoos kann sich klonen: Wie ohne Samen neue Pflanzen entstehen

Das Lebermoos ist eine unscheinbare Pflanze. Sie wächst flach am Boden, oft auf feuchten Flächen, an Mauern oder im Garten. Ihr Körper erinnert an ein flaches grünes Band. An der Oberfläche entstehen kleine becherartige Strukturen. Darin sitzen sogenannte Gemmae – winzige Brutkörper, die wie Mini-Kopien der Mutterpflanze funktionieren.

Regentropfen können diese kleinen Strukturen herauslösen. An anderer Stelle wachsen die Gemmae dann weiter und bilden eine neue Pflanze, genetisch fast identisch mit der ursprünglichen – deshalb sprechen Forscher hier von natürlichem Klonen.

Ein Team der Hiroshima University hat diesen Prozess nun genauer untersucht. Die Arbeit erschien jüngst im Fachjournal Current Biology. „Marchantia polymorpha ist ein Schlüssel, um das Rätsel der ungeschlechtlichen Fortpflanzung bei Pflanzen zu lösen“, erklärt Professor Yuki Hirakawa von der Graduate School of Integrated Sciences for Life. Die Wissenschaftler fanden beim Lebermoos ein Gen, das wie ein Startknopf für diese Form der ungeschlechtlichen Vermehrung wirkt.

Ein Hauptschalter für die ungeschlechtliche Fortpflanzung

Das Gen trägt den Namen GEMMIFER, kurz MpGMFR. Die Forscher beschreiben es als eine Art Hauptschalter. Sobald dieses Gen aktiv wird, beginnt die Pflanze mit der Bildung neuer Brutkörper. „Pflanzen besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, neue Individuen aus ihrem eigenen Körper zu klonen“, schreiben die Studienautoren.

Um die Rolle des Gens zu prüfen, veränderte das Team MpGMFR mit der Genschere CRISPR-Cas9. Das Ergebnis war eindeutig: Pflanzen ohne funktionierendes GEMMIFER bildeten weder Gemmae noch die dazugehörigen Gemma-Becher.

Auch ein Test mithilfe künstlicher Mikro-RNA bestätigte den Mechanismus. Sobald die Aktivität des Gens damit gezielt gesenkt wurde, stoppte die Klonbildung vollständig. Die Pflanze stellte die Produktion neuer Brutkörper komplett ein.

Wird das Gen aktiviert, startet die Klonbildung sofort

Besonders spannend wurde der umgekehrte Test. Die Forscher aktivierten GEMMIFER gezielt mit Dexamethason. Schon nach kurzer Zeit entstanden an den Wachstumspunkten neue Stammzellen. Daraus entwickelten sich später vollständige Gemmae.

Diese neu gebildeten Zellen wuchsen weiter und entwickelten sich zu reifen Brutkörpern. Der Gegentest bestätigte, dass die Aktivierung dieses einen Gens ausreicht, um den gesamten Klonprozess in Gang zu setzen. Die künstlich erzeugten Gemmae waren keine unfertigen Zellhaufen. Sie konnten sich ablösen, weiterleben und zu neuen Pflanzen heranwachsen. auch wenn einige kleiner oder leicht verformt waren, biologisch funktionierten sie ganz normal.

Wie ein natürlicher Kopierer

Lebermoos braucht keine Blüte, keinen Pollen und keinen Samen. Die Pflanze baut ihren Nachwuchs selbst wie ein natürlicher Kopierer. Ganz allein tut GEMMIFER das allerdings nicht. Dieses Gen arbeitet mit einem anderen Gen zusammen, das bereits bekannt war: GCAM1.

GCAM1 hilft dabei, aus den ersten Zellen echte Gemmae und Gemma-Becher zu formen. Ohne GEMMIFER fiel die Aktivität von GCAM1 allerdings stark ab. Wurde GEMMIFER aktiviert, sprang auch GCAM1 deutlich effektiver an.

Die Forscher schreiben dazu in der Studie: „MpGMFR wirkt als Hauptregulator für den Beginn der Gemmae- und Gemma-Becher-Entwicklung, indem es MpGCAM1 als wichtigen nachgeschalteten Faktor aktiviert.“ GEMMIFER drückt also den Startknopf, GCAM1 übernimmt dann den weiteren Aufbau.

Lebermoos macht das Klonen bei Pflanzen erstmals sichtbar

Viele klassische Modellpflanzen der Forschung, etwa die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), vermehren sich nicht auf diese Weise. Deshalb blieb lange unklar, welche genetischen Schalter hinter dieser speziellen Form der Fortpflanzung stehen. Es entstand eine Art wissenschaftlicher blinder Fleck. Das Lebermoos Marchantia polymorpha schließt diese Lücke. Es zeigt sehr direkt, wie Pflanzen sich selbst klonen und welche Gene dafür nötig sind. Hirakawa sagt dazu:

Dass wir das in klassischen Modellpflanzen nicht beobachten konnten, bedeutete nicht, dass es in der Natur nicht passiert. Diese Entdeckung erinnert uns daran, wie viele biologische Geheimnisse noch auf ihre Entdeckung warten.

Kurz zusammengefasst:

• Viele Pflanzen können sich ohne Samen vermehren, indem sie kleine Brutkörper, sogenannte Gemmae bilden, aus denen neue, fast identische Pflanzen entstehen.
• Beim Lebermoos Marchantia polymorpha steuert das Gen GEMMIFER (MpGMFR) diesen Prozess wie ein Startknopf: Wird es ausgeschaltet, entstehen keine Gemmae mehr, wird es aktiviert, beginnt die Klonbildung.
• GEMMIFER kurbelt das Gen MpGCAM1 an, das den weiteren Aufbau von Gemmae übernimmt – so konnten Forscher erstmals den genetischen Ablauf des natürlichen Pflanzen-Klonens klar nachvollziehen.

Übrigens: Ein Pflanzenstoff, der in Paprika, Spinat und Grünkohl zu finden ist, schützt nicht nur die Augen, sondern könnte auch Immunzellen im Kampf gegen Krebs deutlich stärker machen. Forscher der University of Chicago fanden heraus, dass das sogenannte Zeaxanthin die Tumorabwehr gezielt unterstützt und Immuntherapien verstärken kann. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Krzysztof Ziarnek, Kenraiz via Wikimedia unter CC BY-SA 4.0