Sebastian Triesch (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf)
GUS-Färbung eines Arabidopsis thaliana Blattes. In zwei gentechnisch veränderten A. thaliana Linien wurde das GUS-Reportergen unter der Kontrolle zweier regulatorischen Elemente (Promotoren) exprimiert. Die C3-Variante des Promotors bewirkt eine GUS-vermittelte Blaufärbung des gesamten Blattes. Der regulatorische Bereich aus der C3-C4 intermediären Pflanze besitzt eine strukturelle genetische Variation und vermittelt GUS-Färbung nur entlang der Blattadern. Aufnahme: Sebastian Triesch
Sebastian Triesch erhielt den Preis für die beste pflanzenwissenschaftliche Master-Arbeit, die an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf im Jahr 2021 erstellt wurde, von der Deutschen Botanischen Gesellschaft.
Titel: Evolution differentieller Genexpression in Brassicaceen mit C3-C4 intermediärer Photosynthese
C3-C4-intermediäre Pflanzen erlauben einen Einblick in die Evolution der hochkomplexen C4 Photosynthese. In dieser Arbeit wurden genetische Mechanismen untersucht, die der C3-C4 intermediären Photosynthese unterliegen.
Die Photosynthese, der zentrale Weg der Energiegewinnung der Pflanzen, leidet unter der Affinität des Enzyms Rubisco zu atmosphärischem Sauerstoff. Wenn Rubisco mit Sauerstoff reagiert, kommt es zur Bildung toxischer Nebenprodukte. In der Evolution entstand daher über 60-mal unabhängig voneinander die so genannte C4 Photosynthese, eine effizientere Form des pflanzlichen Stoffwechsels. Die C4-Photosynthese ist hoch komplex und kommt nur in wenigen wichtigen Kulturpflanzen vor. Um ihre Evolution besser zu verstehen und die genetischen Mechanismen zu finden, die ihr zugrunde liegen, können Pflanzen helfen, die sich evolutionär „auf dem Weg“ zur C4 Photosynthese befinden. Zu diesen C3-C4 intermediären Pflanzen gehört zum Beispiel Diplotaxis tenuifolia, auch Rucola genannt.
Um die genetischen Grundlagen der C3-C4 intermediären Photosynthese zu untersuchen, wurden die Genome von über 20 Arten aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) verwendet. Im speziellen wurden genetische Merkmale gesucht, die mit dem Auftreten des C3-C4 intermediären Phänotyps korrelieren.
Eine wichtige Strategie in der Evolution der C3-C4 intermediären Photosynthese ist die zell-spezifische Aktivität bestimmter Gene. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Gen, das eine wichtige Rolle in der Photosynthese spielt, in C3-C4 Pflanzen nur entlang der Blattvenen aktiv ist (s. Bild). In C3-Pflanzen dagegen ist das Gen im ganzen Blatt aktiv. Auf genetischer Ebene konnte gezeigt werden, dass im regulatorischen Bereich (Promotor) des Gens selektiv nur in C3-C4 Pflanzen eine strukturelle genetische Variation vorliegt. Interessant ist, dass in drei verschiedenen Spezies mit C3-C4 intermediärer Photosynthese jeweils verschiedene Ausprägungen dieser Variationen vorliegen. In der Evolution der C3-C4 Photosynthese wurden daher vermutlich unabhängig voneinander dieselben genetischen Mechanismen gefunden, um die Aktivität des Zielgens spezifisch entlang der Blattadern zu verlagern.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen nicht nur, wie die Evolution ähnliche genetische Lösungen für bestehende Probleme findet, sie weisen auch auf mögliche Ansatzpunkte für die gentechnische Veränderung von Pflanzen hin. Hochkomplexe Phänotypen wie die C4 Photosynthese lassen sich dann in Kulturpflanzen einbringen, wenn die grundlegenden genetischen Mechanismen verstanden wurden, die zur natürlichen Evolution der Merkmale geführt haben.
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Sebastian Triesch fertigte die Arbeit am Institut am Institut für Biochemie der Pflanzen (Cluster of Excellence on Plant Sciences, CEPLAS) von Prof. Dr. Andreas P. M. Weber an.