Des Gärtners liebste Zier entschlüsselt

Garten-Petunien gehören zu den beliebtesten Zierpflanzen. Erstmals ist es gelungen, die gesamte Genomsequenz der wilden Vorfahren der Garten-Petunie zu entschlüsseln. Die umfassende Studie wurde letzte Woche in der renommierten Fachzeitschrift «Nature Plants» veröffentlicht. Warum diese Forschungsergebnisse gerade jetzt wichtig sind, erklärt Cris Kuhlemeier vom Institut für Pflanzenwissenschaften, der die Studie mit über 50 beteiligten Forschenden koordiniert hat.

Von Brigit Bucher

Garten-Petunien existieren in verschiedenen Farben und gehören wegen ihren Blüten zu den beliebtesten Zierpflanzen. Die Vorfahren der Garten-Petunie Petunia × hybrida sind die wilden Petunien Petunia axillaris und die Petunia inflata, deren Heimat die gemässigten bis subtropischen Gebiete in Südamerika sind. Erstmals ist es gelungen, die gesamte Genomsequenz dieser beiden wilden Petunien-Arten zu bestimmen. Cris Kuhlemeier vom Institut für Pflanzenwissenschaft an der Uni Bern sagt: «Wir haben den gesamten DNA-Code entschlüsselt, der aus 1,4 Milliarden ‚Buchstaben’ besteht. Wir haben nun also eine Art Wörterbuch, das essentiell für das Verständnis dieser aber auch anderer Pflanzen ist.» 

Erklärung für Farbenvielfalt gefunden?

Petunien haben einen besonderen Stellenwert in der Pflanzenbiologie, da es eine Vielfalt an Arten gibt, die sich durch spezielle Merkmale in der Morphologie, beim Duft oder der Farbe der Blüten auszeichnen. Die nun publizierte Studie löst einerseits eine lange Kontroverse über die Evolution des Erbguts der Nachtschattengewächse, zu denen neben den Petunien beispielsweise Tomaten, Kartoffeln, Tabak, Pfeffer oder Auberginen gehören. Erstmals konnte nämlich nachgewiesen werden, dass es zwei Verdoppelungen der gesamten Genomsequenz gegeben hat. Dies hat dazu geführt, dass die Evolution von neuen Merkmalen enorm beschleunigt werden konnte.

Des Weiteren zeigt die Studie, dass diejenigen Gene, die für die Farbgebung der Blüten zuständig sind, an höchst dynamischen Stellen im Erbgut zu finden sind, wo alle Arten von Neuordnungen, Verdoppelungen und Löschungen an der DNA stattfinden. Dies könnte erklären, warum es bei Garten-Petunien eine enorme Vielfalt von Farben und Farbmustern gibt, so Cris Kuhlemeier.

Internationale Studie von Bern aus koordiniert

An der Studie waren 57 Forschende aus 10 Ländern beteiligt. Koordiniert wurde das Projekt von Cris Kuhlemeier in Bern. Initiiert worden war die Studie vor sechs Jahren, eingereicht zur Publikation schliesslich vor sieben Monaten. Es sei ein sehr kompliziertes Projekt, da verschiedenste Themen aus dem Feld der Petunienforschung behandelt werden, erklärt Cris Kuhlemeier. Und mit der Studie werden gleichzeitig zwölf Manuskripte veröffentlicht, die sich mit unterschiedlichen Aspekten beschäftigen wie zum Beispiel mit der Symbiose zwischen Petunien und Mikro-Organismen, mit kleinen Ribonukleinsäure-Molekülen (RNA) oder dem Biorhythmus der Pflanzen.

Forschung zum Schutz von Ökosystemen

Cris Kuhlemeier selber erforscht vor allem die Interaktion der Petunien mit ihren Bestäubern. Die Pflanzen locken je nach Morphologie, Duft oder Farbe ihrer Blüten Bienen, Nachtfalter oder sogar Kolibris an, die sie bestäuben. Die Petunien haben sich im Laufe der Evolution gezielt und schnell an die drei verschiedene Typen von Bestäubern angepasst. Diese Anpassung ist von enormer Bedeutung, da Pflanzen für ihr Fortbestehen auf Bestäuber angewiesen sind, die die Pollen vom Staubblatt auf das Fruchtblatt übertragen. Die Population von Bestäubern kann beispielsweise durch den Klimawandel beeinträchtigt werden, wie Kuhlemeier erklärt. «Deswegen ist es für Pflanzen wichtig, sich an die Vorlieben von bestimmten Bestäubern anpassen zu können, indem sie ihre Farbe, Morphologie oder den Duft verändern», so der Forscher.  

Das Verstehen der komplexen Beziehung zwischen Pflanzen und ihren Bestäubern liefert gemäss Kuhlemeier nicht nur Hinweise auf die Entwicklung der verschiedenen Arten: «Unsere Forschung trägt auch dazu bei, die Pflanzen und ihre Bestäuber gezielt schützen zu können und die Ergebnisse bei der Züchtung einfliessen zu lassen.» Kommt hinzu, dass wenn man den Bestäubungsmechanismus bei einer Pflanzenart verstanden hat, die Erkenntnisse auch auf andere Pflanzen übertragen werden können. Das heutige Massensterben der Bienen macht es gerade jetzt wichtig, Pflanzen und ihre Bestäuber besser schützen zu können.

Zur Person

Teaser

Cris Kuhlemeier ist seit 1988 Professor am Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern und leitet den Lehrstuhl für Pflanzengenetik und Entwicklungsbiologie. Nach dem Biochemiestudium an der Universität Utrecht arbeitete er an der Rockefeller University in New York als Postdoktorand und Assistenzprofessor bevor er an die Universität Bern berufen wurde. Die beiden Schwerpunkte seiner Forschung sind die molekularen Mechanismen der Blattstellung und die genetische Basis der Artbilding in Petunia.

Kontakt:

Prof. Dr. Cris Kuhlemeier
Universität Bern
Institut für Pflanzenwissenschaften
+41 31 631 49 13
cris.kuhlemeier@ips.unibe.ch

Angaben zur Studie

Bombarely et al., Insight into the evolution of the Solanaceae from the parental genomes of Petunia hybrida. Nature Plants 2 (2016), DOI: 10.1038/nplants.2016.74. 

Institut für Pflanzenwissenschaften

Das IPS untersucht das gesamte Spektrum der pflanzlichen Vielfalt, von den Molekülen über die Zellen und die Organe bis zu ganzen Individuen, Populationen, Lebensgemeinschaften und Ökosystemen. Dies wirft Fragen in der genetischen, physiologischen und ökologischen Grundlagenforschung auf und führt zur Behandlung verschiedenster angewandter Themen. So geht das IPS unter Anderem der Frage nach, warum – obschon die meisten Arten eher stabil bleiben – bestimmte einheimische Arten immer seltener werden und verschiedene exotische Arten sich eher ausbreiten.  Ebenso werden die Evolution und Anpassung von Pflanzen an globale Umweltveränderungen und die Wechselwirkungen von Pflanzen mit Bestäubern oder pflanzenfressenden Tieren untersucht.

Zur Autorin

Brigit Bucher arbeitet als Stv. Leiterin Corporate Communication an der Universität Bern und ist Redaktorin bei «uniaktuell».

03.06.2016