Es ist Sommer. Es ist heiß. Sehr heiß. Es regnet kaum. Gestern war ich wandern. Und da fiel mir ein mal mehr die ausgetrocknete Natur auf. Der Klimawandel ist real. Ich möchte mich jetzt gar nicht darüber aufregen (das tue ich schon oft genug), dass die meisten Menschen lieber wegsehen und leugnen. Stattdessen möchte ich euch darüber erzählen, wie Pflanzen es schaffen, sich an veränderte Umweltbedingungen, egal ob Hitze oder Kälte, Starkregen oder Dürre, anzupassen. Beziehungsweise, wie ein großer europäischer Forschungsverbund versucht, diese Frage zu beantworten; und wie die Bioinformatik dabei hilft.

Epigenetik – Die Metaebene der Genetik

Aber was ist Epigenetik überhaupt? Die griechische Vorsilbe “epi-” in diesem Zusammenhang richtig zu übersetzen, finde ich schwierig. Man könnte wohl so etwas wie “zusätzlich” oder “oberhalb” sagen. Unter Epigenetik fasst man all die genetischen Prozesse zusammen, die über die “klassische” Genetik hinaus gehen, das heißt, die nichtauf Nukleotidebene in der DNA-Sequenz kodiert sind. Stattdessen finden epigenetische Veränderungen auf Chromatinebene statt. Chromatin ist ein Komplex aus DNA und speziellen Proteinen (hauptsächlich Histonen), aus dem die Chromosome im Zellkern gebildet werden. Verändert werden sowohl die Histone als auch die Nukleotide, wobei die Veränderungen umkehrbar und eher mit einer Art chemischen Markierung gleichzusetzen sind. Man könnte epigenetische Veränderungen auch als “weiche Veränderungen” bezeichnen, die mehr Anpassungsfähigkeit ermöglichen, aber auch rückgängig gemacht werden können. Die klassische Genetik sorgt hingegen für “harte Veränderungen”, die nicht umkehrbar sind.

Von der DNA Sequenz bis zum Chromosom.

Die komplexen epigenetische Prozesse steuern die Funktion bestimmter Gene und erhöhen damit die Flexibilität des immer gleichen Erbguts. Epigenetik beeinflusst unter anderem, dass aus totipotenten Stammzellen, aus denen wir anfangs bestehen, durch Zelldifferenzierung bestimmte Körperzellen mit festgelegten Funktionen werden, obwohl das Erbgut in allen Zellen gleich ist. So braucht zum Beispiel eine Muskelzelle andere Gene als eine Nervenzelle. Dabei werden auf unserem DNA-Strang bestimmte Gene abgeschaltet, indem sie epigenetisch markiert werden. Es bleiben nur die Gene benutzbar, die für die Aktivität der jeweiligen Körperzelle wichtig sind.

Wir sind mehr als die Summe unserer Gene

Ob sich eine Biene zur Königin oder Arbeiterin entwickelt, wird epigenetisch über die Nahrung bestimmt.

Mit der Epigenetik kam auch die Einsicht, dass die Eigenschaften eines Lebewesens nicht rein durch das vererbte Genmaterial unveränderbar bestimmt sind. Im Gegenteil: epigenetische Prozesse können sogar durch Umweltfaktoren beeinflusst werden. Ein sehr eindrucksvolles Beispiel dafür sind Bienen. Ob sich eine Biene zur Königin oder Arbeiterin entwickelt, wird epigenetisch über die Nahrung bestimmt. Die Larven zukünftiger Königinnen erhalten Gelée royale. Die Larven, die mit Pollen gefüttert werden, entwickeln sich zu Arbeiterinnen. Die unterschiedliche Nahrung sorgt für unterschiedliche Markierungen auf der DNA und entscheidet somit über das Schicksal der Larven.

Aber auch das menschliche Genom verändert sich im Laufe unseres Lebens auf epigenetischer Ebene. Das kann man vor allem an genetisch eineiigen Zwillingen nachweisen. Dabei hat man unter anderem festgestellt, dass Zwillinge im Alter epigenetisch umso verschiedener sind, je unterschiedlicher ihre Leben verlaufen sind.

Der Einfluss des Klimas

Zurück zu den Pflanzen. Auch für Pflanzen spielen Umweltfaktoren eine große Rolle. In verschiedenen Umgebungen und unter verschiedenen klimatischen Bedingungen flexibel zu sein, ist (nicht nur für Pflanzen) von großem Vorteil. Um die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen zu verstehen, müssen wir auch die epigenetischen Markierung auf der DNA untersuchen. Eine Form dieser DNA-Markierungen sind Methylierungen. Dabei werden kleine Methylgruppen an einen bestimmten DNA-Abschnitt gehängt und das Gen damit stillgelegt. Wird die Methylgruppe wieder abgelöst, kann wieder auf die Erbinformation zugegriffen werden. Auf diese Art könnten Pflanzen zum Beispiel auf extreme Trocken- oder Hitzeperioden reagieren.

Ein Großteil unseres derzeitigen Wissens über DNA-Methylierung bei Pflanzen bezieht sich auf die Acker-Schmalwand. In der Landwirtschaft gilt sie als Unkraut, in der Genetik hat sie sich aber als Modellorganismus etabliert — “die Fruchtfliege der Botanik”. Modellorganismen sind nützlich, aber so wie sich nicht alles Wissen von Fruchtfliege auf Mensch übertragen lässt, sind eben auch nicht alle Pflanzen gleich. Bisher ist unklar, wie wichtig epigenetische Unterschiede für die Anpassungsfähigkeit natürlicher Pflanzenpopulationen unter verschiedenen Umweltbedingungen sind.

44 Wissenschaftler_innen schließen sich zusammen

EpiDiverse ist ein großer europäischer Forschungsverbund, in dem sich Bioinformatiker_innen, Molekularbiolog_innen und Ökolog_innen aus sieben Ländern zusammengeschlossen haben, um epigenetische Veränderungen an drei Wildpflanzenarten zu untersuchen: Schwarz-Pappel, Wald-Erdbeere und Acker-Hellerkraut. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie epigenetische Mechanismen zur Reaktion auf Stress durch veränderte Klimabedingungen und zur langfristigen Anpassung an solche beitragen. Dabei schauen sich die Forscher_innen unter anderem die epigenetischen Unterschiede der Pflanzen entlang des Klimagradienten an, aber auch, wie die Pflanzen epigenetisch auf Klima-Stress reagieren. Untersucht werden die genomischen Grundlagen (Bioinformatik), die molekularen Mechanismen (Molekularbiologie) und die ökologische Bedeutung der Veränderungen (Ökologie).

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Kommentare (13)

  1. #1 Bernd
    5. August 2019

    Mir ist der Klimawandel egal. Negative Folgen werde ich hier in Deutschland nicht miterleben und was am anderen Ende des Universums passiert juckt mich jetzt auch nicht so dolle.

    Die Öko-Tanten sollen mir gefälligst damit nicht auf die Eier gehen.

    • #2 Franziska Hufsky
      5. August 2019

      Ich finde, die negativen Folgen bekommen wir bereits mit…

  2. #3 Joseph Kuhn
    5. August 2019

    Interessanter Artikel. Die “Walderdbeere” auf dem Foto sieht aber nach indischer Scheinerdbeere aus.

  3. #4 rolak
    5. August 2019

    Beidem kann zugestimmt werden, Joseph – ersterem gerne und freiwillig, letzterem schon wg dem FruchtErscheinungsbild, so extremgnubbelig, auf halbem Weg zur Himbeere.
    Alisier, übernehmen sie ;•)

  4. #5 Franziska Hufsky
    5. August 2019

    Da könnt ihr Recht haben… Meine Botanikkenntnisse lassen sehr zu wünschen übrig^^

  5. #6 Hinundweg
    Altmannstein
    6. August 2019

    Faszinierendes Thema !
    Was ich trotz Wikipedia nicht so ganz gebacken bekomme, ist wie genau die einzelne Gene ausgewählt werden.
    Wenn auf Grund äußerer Einflüsse Histonmodifikationen o.ä. erfolgen, dann hat das doch sicher auch Einfluss auf andere Gene, die einen Genlokus in der Nähe haben.
    Ähnliche Fragestellung ist, wie die gewünschten Gene für die (de)methylierung selektiert werden, die sich irgendwo auf einem oder mehreren Chromosomen befinden können ?
    Grüße
    Holger

    • #7 Franziska Hufsky
      6. August 2019

      Soweit ich weiß, ist das auch alles noch nicht so im Detail verstanden. Bin gespannt, welche spannenden Forschungsergebnisse da in den nächsten Jahren noch erwarten.

  6. #8 Aveneer
    6. August 2019

    Vergleichbares gibt es ja z.B. auch bei Menschen. Offenbar und das finde ich schon extrem interessant, können Umwelteinflüsse auf Eltern oder sogar Großeltern, die Genexpression der Kinder/Enkelkinder beeinflussen (eben über ein geändertes Methylierungsmuster in der Keimbahn!).
    Ein epigenetisches “Gedächtnis” über mehrere Generationen. Daher frage ich mich gerade, ob die Samen der Pflanzen ebenfalls entsprechend untersucht werden.

    • #9 Franziska Hufsky
      6. August 2019

      Ich weiß nicht genau, ob nun die “Samen” untersucht werden, aber die Vererbung der epigenetischen Veränderungen zu untersuchen ist auch Teil des Forchungsverbundes. Hier gibt es Details zu den einzelnen Projekten: https://epidiverse.eu/en/projects
      RP09, RP11 und RP14 beschäftigen sich auf jedenfall mit Vererbung.

  7. #10 Beobachter
    7. August 2019

    zu # 1:

    “Klimawandel egal”?
    Aktuell und künftig in D keine negativen Folgen?

    Siehe dazu z. B.:

    https://www.spiegel.de/gesundheit/diagnose/klimawandel-erhoeht-risiko-fuer-herzinfarkt-und-hitzetod-in-deutschland-a-1279926.html

  8. #11 Timo
    7. August 2019

    Wenn ich diesen Artikel jetzt richtig verstanden habe, werden aber durch die gennanten äüßeren Einflüsse nicht die Gene beeinflusst, sondern es wird lediglich beinflusst welche Gene aktivert werden oder nicht.

    Konkret: sollten die Einflüsse bei der nächstn Generation wegfallen, so haben die Planzen wieder den alten Zustand der vorvorherigen Generation erreicht.

    Würden die Gene jedoch tatsächlicht beeinflusst werden, dann würden sich die Pflanzen der vorvorherigen Generation von den zukünftigen Planzen nicht unterscheiden, bei gleichen Einflüssen.

    Habe ich das jetzt richtg verstanden, oder etwas entscheidendes überlesen.

    Oder übertragen auf den Menschen, bei schlechter Ernährung sind die Menschen im Durchschnitt kleiner als die Generation wo die Menschen sich gut ernähren können.
    Sollte jedoch eine zukünftige Generation sich schlechter ernähren können, dann sind im Durchschnitt wahrscheinlich nicht von den Generationen von früher zu unterscheiden, oder? Falls ja dann werden doch die Gene nicht beeinflusst sondern nur die Aktivität der Gen-Sequenzen?

    • #12 Franziska Hufsky
      8. August 2019

      Richtig, nicht die Gene werden verändert, sondern die Regulation der Gene.

      Ob diese Regulationsmuster weitervererbt werden, ist jedoch noch unklar. Anfang ging man davon aus, dass die während des Lebens angesammelten epigenetischen Informationen während der Entwicklung von Spermien und Eizellen wieder gelöscht werden. Mittlerweile gibt es aber auch viele Hinweise darauf, dass auch epigenetische teilweise an die Nachfahren weitergegeben wird.

  9. #13 SuperCookieXXL
    Luftschlossalle 17
    8. August 2019

    @Franziska Hufsky

    “..ein telegram für sie…”

    Ein sehr Interessanter Artikel.-STOP

    Ich hoffe doch, das Sie und ihre Kollegen, mit den neu Gewonnenen Erkenntnissen, nachhaltig bzw.
    Verantwortungsvoll umgehen werden.
    (Stichwort: Manipulation am Gen/DNA) -STOP

    Ihre Artikel sind gut Lesbar, und Verständlich.
    Für mich.Lese diese gerne. -STOP

    Das wahr´s schon von meiner Seite. -STOP

    mfg
    c.

    -STOP-ENDE-