Pflanzen-Genom: Fruchtiges Erbe

Die Acker-Schmalwand ist ein unscheinbares Gewächs mit dünnen Stängeln und schmalen weißen Blüten. Sie wächst am Wegesrand, auf Sand und Wiesen. Arabidopsis thaliana, wie der wissenschaftliche Name lautet, ist ein Unkraut. Aber eines, das es in sich hat. Arabidopsis war die erste Pflanze, deren Erbgut komplett, Buchstabe für Buchstabe, entziffert wurde. Das war im Dezember 2000, ein halbes Jahr nach der Bekanntgabe des menschlichen Genoms.

Damals nahm niemand so richtig Notiz von Arabidopsis. Erst die gegenwärtige Nahrungsmittelkrise könnte der Pflanzenforschung auch in der Öffentlichkeit mehr Bedeutung geben. Kann man doch mit ihrer Hilfe besser verstehen, wie der Stoffwechsel der Pflanze funktioniert. Und Sorten züchten, die Hitze, Kälte, Trockenheit oder Schädlingen trotzen.

Ein Beispiel dafür ist eine gentechnisch veränderte Papaya. Ihr Genom ist das fünfte einer Pflanzenart – nach AckerSchmalwand, Reis, Pappel und Wein –, das nun sequenziert wurde. Die tropische, sehr nahrhafte Frucht wird häufig von einem verheerenden Virus befallen. Forscher der Cornell-Universität in New York und der Universität von Hawaii – auf der Insel wird Papaya angebaut – pflanzten der Frucht daraufhin die Erbanlage für ein Hülleiweiß des Virus ein. Ergebnis dieser „Impfung“: das Virus kann der Papaya nichts mehr anhaben.

„Das Erbgut einer Pflanze gibt uns einen vollständigen Überblick über ihre genetische Information“, sagt Ralph Bock, Direktor am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm. „Trotzdem ist es noch ein langer Weg bis zu einem umfassenden Verständnis des Organismus.“ Es wird noch dauern, bis alle Millionen oder gar Milliarden biochemischen Buchstaben der Erbinformation richtig gedeutet werden. Etwa zwei Dutzend Pflanzen-Genome werden zur Zeit entziffert, darunter Soja, Kartoffel, Baumwolle, Mais und Tomate.

Bisher kennt man die genetische Sprache der Pflanze nur in Bruchstücken. Aber auch die geben Aufschluss. Zunächst: Pflanzen haben nicht weniger Erbanlagen als Tiere, sondern eine vergleichbar große Menge. „Ein wichtiger Unterschied bei den Genen von Tier und Pflanze besteht darin, dass viele pflanzliche Erbanlagen der Anpassung an die Umwelt dienen“, sagt der Biologe Bock. „Pflanzen können nun einmal nicht weglaufen, sie müssen Temperaturunterschiede von 30 Grad am Tag und minus fünf Grad in der Nacht aushalten, ebenso wie Trockenheit oder Parasiten.“

Mit Hilfe der Photosynthese gewinnen Pflanzen aus Licht lebenswichtige Energie. Für diesen komplizierten Prozess sind viele Gene zuständig, die sich natürlich bei Tieren nicht finden. Tiere wiederum haben Erbanlagen für Nervensystem und Gehirn, die Pflanzen ihrerseits nicht benötigen.

„Fast immer gibt es für das Gen in einer Pflanze in einer anderen Art eine Entsprechung“, sagt Bock. Das erleichtert den Vergleich zwischen bereits sequenzierten mit anderen Arten. „Außerdem finden sich in einer Pflanze viele Gene mit ähnlichen Aufgaben, die wir zu Gen-Familien zusammenfassen können."

Zu den besonderen Eigenschaften von Pflanzen gehört, dass jede Art zwischen 5000 und 25000 verschiedene Stoffwechselverbindungen herstellt – eine potenzielle Goldgrube für die Entwicklung gesünderer Nahrungsmittel, umweltverträglicher Chemie, von Bio-Treibstoffen und Medikamenten.

Typisch für viele Pflanzen ist zudem, dass sich ihr Genom im Lauf der Evolution oder durch Züchtung vervielfacht hat (Polyploidie). So besitzt der aus drei verwandten Arten verschmolzene Saatweizen sechs Chromosomensätze, Erdbeeren gar zehn. Häufig geht mit der Vermehrung des Erbguts eine Ertragssteigerung einher – wie beim Weizen.

„Nur eine Kombination herkömmlicher Züchtung mit molekularbiologischen und gentechnischen Verfahren kann die Nahrungsmittelproduktion künftig sicherstellen“, ist Bock überzeugt. „Wenn wir dieses Potenzial ausschöpfen, gibt es Anlass zur Hoffnung.“