Gene werden normalerweise von Eltern an ihre Kinder vererbt. Doch manche Lebewesen können zusätzlich genetisches Material von anderen, nicht verwandten Organismen aufnehmen und in ihr eigenes Erbgut aufnehmen. Dieser sogenannte horizontale Gentransfer ist vor allem von Bakterien bekannt, die auf diese Weise zum Beispiel Antibiotikaresistenzen untereinander weitergeben können. Auch einzellige Tiere wie Rädertierchen ergänzen auf diese Weise ihre genetische Ausstattung.
Genklau vor Millionen Jahren
Nun hat ein Team um Eiichiro Ono vom Suntory Global Innovation Center in Kyoto auch einen pflanzlichen Gendieb identifiziert: die parasitische Pflanze Cuscuta. Ihre feinen, fadenartigen Ranken haben ihr im Volksmund viele Namen eingebracht: Seide, Teufelszwirn, Jungfernhaar oder auch Schmarotzer- oder Hexenseide. Auf eigene Photosynthese verzichtet der pflanzliche Parasit weitgehend. Stattdessen wächst er mit spezialisierten Saugorganen, den sogenannten Haustorien, bis in die Leitbündel seiner Wirtspflanzen ein und entzieht ihnen die benötigten Nährstoffe.
Doch wie Ono und seine Kollegen feststellten, bedient sich der Teufelszwirn nicht nur an den Nährstoffen seiner Wirte, sondern teils auch an ihren Genen. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass Cuscuta die Verbindung Sesamin herstellt, die charakteristisch für Sesampflanzen und verwandte Arten ist“, berichten die Forschenden. Weitere phylogenetische Analysen enthüllten, dass der Parasit das dafür verantwortliche Gen, CYP81Q, offenbar bereits vor etwa 32 bis 50 Millionen Jahren von einem Vorfahren des Sesams geklaut hat. Da Sesamin antioxidative Eigenschaften aufweist, hat es sich wahrscheinlich für Cuscuta als nützlich erwiesen.
Trotz Umbau funktionsfähig
Aber die parasitische Pflanze beließ es nicht dabei, das Gen nur in ihr eigenes Genom zu kopieren. Stattdessen entwickelte sich das Gen im Erbgut des Teufelszwirns bedeutend weiter. „Bemerkenswerterweise zeigen vergleichende Genomanalysen, dass das übertragene Gen nach dem horizontalen Erwerb eine umfassende strukturelle Umgestaltung durchlief“, berichten die Forschenden. Immer wieder wurden neue DNA-Sequenzen eingefügt, darunter große nicht-kodierende Abschnitte, sogenannte Introns, die nach dem Ablesen des Gens aus dem Bauplan des Proteins entfernt werden.
„Trotz dieser erheblichen strukturellen Veränderungen hat das Gen seine biologische Funktion beibehalten“, sagt Co-Autor Koh Aoki von der Universität Osaka. So produziert es weiterhin erfolgreich das Enzym zur Herstellung von Sesamin. Heute ist es weit in der Gattung Cuscuta verbreitet – auch in Arten, die üblicherweise ganz andere Pflanzen als Sesam parasitieren.
Gentransfer in den Parasiten
Aber wie ist das Gen ursprünglich in den Parasiten gelangt? Um eine Antwort auf diese Frage zu finden, ließen die Forschenden die parasitische Seide im Labor auf einer Sesampflanze wachsen und beobachteten die Reaktionen der Wirtspflanze. Dabei stellten sie fest, dass Sesam als Reaktion auf den Parasitismus verstärkt CYP81Q exprimierte. Die mRNA-Baupläne gelangten über die Haustorien auch in den Parasiten.
Ob diese RNA-Transkripte tatsächlich stabil in das Genom integriert werden können, ist noch unklar. Aus Sicht der Forschenden deuten die Ergebnisse jedoch darauf hin, dass ein solcher RNA-vermittelter Transfer auch vor Millionen Jahren zum horizontalen Gentransfer von CYP81Q beigetragen haben könnte.
Zusammengenommen zeigt die Studie laut Ono und seinen Kollegen, wie parasitische Pflanzen mit Hilfe von horizontalem Gentransfer neue Gene gewinnen und an ihre eigene genetische Umgebung anpassen können. „Das führt zur Entstehung strukturell komplexer und dennoch funktionsfähiger Gene“, schreiben die Forschenden. „Dieser Prozess stellt einen bisher unterschätzten Mechanismus dar, durch den parasitäre Pflanzen horizontal erworbene Gene umgestalten, um metabolische Innovationen zu ermöglichen.“
Quelle: Eiichiro Ono (Suntory Global Innovation Center, Kyoto, Japan) et al., Plant Physiology, doi: 10.1093/plphys/kiag335
