Die meisten Ihrer Lieblingsblumen sind Mutanten

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Wenn Sie jemals eine Rose in einem Geschäft gekauft haben, haben Sie eine Mutante gekauft. Im Laufe der Geschichte sind Menschen mutierten Blumen begegnet, bewundert und mystifiziert worden. Der griechische Philosoph Theophrast beschrieb vor über 2000 Jahren doppelte Blüten in Rosen. Seitdem sind Doppelblüten wie Rosen, Pfingstrosen, Geranien, Ringelblumen und Garnierungen als Gartenpflanzen begehrt und geschätzt.

weiße Blume
Eine doppelblütige Blüte. Foto von StacyK, von Flickr und Wikimedia Commons.

Wir wissen jetzt, dass alle diese Blumen (und viele mehr) genetische Mutanten sind. Die zusätzlichen Blütenblätter, die wir begehren, sind tatsächlich mutierte Geschlechtsorgane. Wir haben Tausende von Jahren gebraucht, um von Theophrasts Beobachtungen zu einem wissenschaftlichen Verständnis darüber zu gelangen, wie diese Blumen so schön wurden.

Im späten 18.Jahrhundert erkannte der deutsche Schriftsteller und Dichter Goethe, dass Mutanten verwendet werden könnten, um die Entwicklung von Blumen zu untersuchen. Goethe hatte ein Interesse an der Botanik entwickelt, als er am Hof von Weimar diente, und später, als er Ende der 1780er Jahre verschiedene Arten von Flora in Italien beobachtete. Er kam zu der Überzeugung, dass es einen einzigen vereinigenden Körperteil jeder Pflanze gab, das Blatt, das er 1790 in seinem bahnbrechenden Papier „Die Metamorphose der Pflanzen.“

Öffne eine beliebige Blume und du kannst sehen, woher Goethe diese Idee hat. Die meisten Blumen enthalten vier konzentrische, verschachtelte Kreise von Organen, die wir Quirle nennen. Sie können identifizieren, welches Organ Sie betrachten, basierend auf seiner Position innerhalb dieser Blaupause. Vom äußeren Quirl zum inneren Quirl sind die Organe: Kelchblätter (normalerweise grün und blattartig), Blütenblätter (normalerweise auffällig und attraktiv), Staubblätter (die männlichen Fortpflanzungsorgane und Pollenproduzenten) und schließlich Fruchtblätter (die weiblichen Fortpflanzungsorgane). Die Fruchtblätter enthalten Eier und wachsen nach der Befruchtung zu Früchten, die Samen umgeben.

Blumenanatomie
Die Teile einer Blume. Laura Aškelovičiūtė

Basierend auf seinen Beobachtungen von Doppelrosen schlug Goethe vor, dass die verschiedenen Teile von Blumen alle gleichwertig seien, was erklärte, warum Organe so leicht ineinander umgewandelt werden konnten. Biologen hatten gemischte Reaktionen auf Goethes Theorie. Während einige ihn als den Vater der Morphologie bejubelten, glaubten andere, dass er versuchte, die Natur künstlich zu biegen, um sich seinen Ansichten anzupassen.

Es dauerte fast 200 Jahre, um seine Theorien über die Entwicklung von Blütenorganen auf genetischer Ebene experimentell zu verifizieren. Aber Wissenschaftler haben dafür keine Rosen verwendet. Sie wandten sich einem gewöhnlichen Unkraut am Straßenrand zu.

1873 beschrieb Alexander Braun eine „doppelblütige“ Mutante in der gemeinen Pflanze Arabidopsis, auch bekannt als Thale Cress. In den 1980er Jahren erkannten Wissenschaftler, dass die Pflanze dank ihres kleinen Genoms, ihrer kurzen Generationszeit, ihrer Fähigkeit, leicht zu mutieren, und ihrer Fähigkeit, fremde DNA aufzunehmen und zu exprimieren, perfekt für genetische Untersuchungen geeignet war.

Arabidopsis-Mutante mit „Double Flower“ -Phänotyp. Foto von Daniel Ocampo von Flickr und Wikimedia Commons.

Dank der Arbeit mit Arabidopsis thaliana und Antirrhinum majus in den 1980er Jahren haben wir endlich eine Antwort auf die Frage erhalten, die Goethe Jahrhunderte zuvor gestellt hatte: Warum sehen Blumen so aus? Wir wissen jetzt, dass sich vier Klassen von Genen überlappen, um die vier verschiedenen Blütenorgane zu bilden. Organtransformationen finden statt, weil jede Organidentität in einer Blume durch das Vorhandensein bestimmter Kombinationen von Proteinen spezifiziert wird. Ändern Sie die Kombinationen, ändern Sie die erstellten Organe.

Die Erforschung von Arabidopsis thaliana in einer bahnbrechenden Arbeit, die 1991 veröffentlicht wurde, vertiefte unser Verständnis davon, wie sich normale und abnormale Blüten entwickeln. Das bekannte ABC-Modell entstand aus diesem Papier und markierte den Beginn eines Forschungsfeldes, das Genetik und Entwicklung in Blumen verbindet.

Als Forscher verschiedene Versionen von Mutationen in den vier Genen testeten, fanden sie eine spektakuläre Reihe von körperlichen Veränderungen in den Organen der Blume. In einer Mutation entwickelten sich Kelchblätter entweder als Fruchtblätter oder Blätter und Blütenblätter als Staubblätter. Zwei Versionen von Mutationen in einem Gen führten dazu, dass sich Blütenblätter als Kelchblätter und Staubblätter als Fruchtblätter entwickelten. Weitere zwei Mutationen in einem dritten Gen verursachten Staubblätter als Blütenblätter zu entwickeln, und eine völlig neue Blume anstelle von Fruchtblättern zu entwickeln.

Basierend auf den Daten, die von ihren einzelnen Mutantenlinien gesammelt wurden, schlugen die Autoren ein Modell vor, bei dem Kelchblätter nur von A-Klassengenen gebildet wurden, Blütenblätter durch eine Überlappung von A- und B-Genen, Staubblätter durch B- und C-Gene und Fruchtblätter durch C allein.

Blumenorgane und die Genklassen, die sie definieren, angepasst von (Bowman, 1991). In den Doppel- und Dreifachmutantenbeispielen repräsentiert das Vorhandensein zusätzlicher Organe das Wachstum einer zusätzlichen Blume aus der Mitte heraus. Claire Meaders

Mit diesem Modell sagten sie dann voraus, was sie sehen würden, wenn sie Pflanzen mit Mutationen in mehreren Genklassen herstellen würden. Sie kreuzten Pflanzen mit verschiedenen Mutationen zusammen und erzeugten so sogenannte „doppelte“ oder „dreifache“ Mutantenlinien. Diese Mutantenlinien bestätigten, dass die Gene über Quirle hinweg funktionieren. Ohne B- und C-Gene werden nur A-Gene exprimiert und alle Quirle einer Blume entwickeln sich als Kelchblätter. Ohne A- und C-Gene gibt es keine floralen Identitätsgene im äußeren Quirl, also gibt es nur Blätter, keine Blütenblätter. Nur B-Gene führen zur Entwicklung von hybriden Blütenblättern / Staubblättern im zweiten und dritten Quirl Das Fehlen von C-Genen führt zur Initiierung einer anderen Blüte im vierten Quirl anstelle des Fruchtblatts. Basierend auf ihren Ergebnissen kamen die Autoren zu dem Schluss, dass diese Gene für die Organidentität in Blumen essentiell sind.

Im Laufe der Zeit haben verschiedene Blütenlinien Verbesserungen und Anpassungen am Körperplan vorgenommen. Aber das ABC-Modell passt immer noch zu den 300.000 Arten von Blütenpflanzen, die heute existieren, auch wenn sie radikal vom Grundplan abgewichen sind.

Die Pflanze, die ich studiere, die Akelei (Aquilegia), hat fünf statt vier Wirbel. Es entwickelte sich ein zusätzlicher Quirl mit einer anderen Art von Organ, dem Staminodium, zwischen den Staubblättern und Fruchtblättern.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer sezierten Blütenknospe. Kelchblätter, Blütenblätter und alle bis auf drei Staubblätter wurden entfernt. Die gezeigten Organe sind ein Quirl von Staminodien, der den Quirl von Fruchtblättern in Aquilegia umgibt. REM-Bild von Claire Meaders

In Aquilegia ermöglichten Duplikationen in den Genen der B-Klasse, dass mehrere Kopien eines B-Gens die Arbeit aufteilten und eine neue Funktion entwickelten. Traditionell werden B-Gene in Blütenblättern und Staubblättern exprimiert. In Aquilegia wird eine Kopie der B-Gene hauptsächlich in den Blütenblättern exprimiert, eine Kopie ist staubblattspezifisch, und eine Kopie wurde übrig gelassen, um einen ganz neuen Quirl, das Staminodium, zu erzeugen.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Wirbels von Staminodien in Aquilegia. SEM-Bild von Claire Meaders

Von antiken Philosophen über Dichter des 18.Jahrhunderts bis heute haben wir einen langen Weg zurückgelegt, um zu verstehen, wie sich Blumen entwickeln. Es war besonders faszinierend für mich zu erfahren, wie Mutationen in diesem einen universellen Körperplan, der selbst von Zapfen geerbt wurde, zu der unglaublichen Vielfalt in Blumenform führen, die wir heute sehen. Dennoch müssen wir noch viel lernen. Ich vermute, dass die nächsten 30 Jahre pflanzenbiologischer Forschung völlig neue Zusammenhänge zwischen der Schönheit, die wir so bewundern, und dem genetischen Code, der darunter liegt, aufdecken werden.

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