Zürich, Switzerland
May 30, 2011
Zu Beginn der Embryogenese sind bei Blütenpflanzen fast ausschliesslich die mütterlichen Gene aktiv. Mütterliche Faktoren kontrollieren die Entwicklung des Embryos und schalten die väterlichen Gene vorübergehend stumm. Dies weist ein internationales Forschungsteam unter der Beteiligung von Pflanzengenetikern der Universität Zürich mit Hilfe der «Next Generation Sequencing»-Technologie erstmals nach. Der neu entdeckte Mechanismus könnte für die Aufrechterhaltung der Artgrenze verantwortlich sein und für die Entwicklung von neuem Saatgut eine Schlüsselrolle spielen.
Die eine Hälfte des Erbgutes stammt von der Mutter, die andere vom Vater, und beide leisten ihren Beitrag zur Entwicklung der Nachkommen. So hat es gemäss Lehrmeinung zu sein, und so ist es auch tatsächlich ab einem fortgeschrittenen Entwicklungstand des pflanzlichen Embryos. Doch ganz zu Beginn der Embryonalentwicklung sieht es anders aus: In der Frühphase – also vom befruchteten Ei bis ins globuläre Stadium – sind vor allem die mütterlichen Gene aktiv. Mütterliche Faktoren kontrollieren grösstenteils die Entwicklung und bringen die väterlichen Gene aktiv zum Schweigen. Dieses überraschende Resultat publizierte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Pflanzengenetikern der Universität Zürich und der Universität Montpellier kürzlich im renommierten amerikanischen Wissenschaftsmagazin «Cell».
Stummgeschaltete väterliche Gene
Für ihre Untersuchungen kreuzten die Forscher zwei genetisch gut unterscheidbare Rassen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) und analysierten den Beitrag der mütterlichen und väterlichen Gene unmittelbar nach der ersten Zellteilung. Molekulargenetische Untersuchungen an Pflanzenembryonen in dieser frühen Phase sind ausgesprochen schwierig auszuführen. Aus diesem Grund beschränkten sich bisher viele Untersuchungen auf bereits weiter entwickelte Embryonen. Doch Ueli Grossniklaus, Professor für Pflanzengenetik an der Universität Zürich, hat eine Vorliebe für schwierig zu analysierende Entwicklungsstadien und kann diese dank neuester Technologie wie des «Next Generation Sequencing» auch untersuchen. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass in der Frühphase der Embryonalentwicklung überwiegend die mütterlichen Gene aktiv sind. Die Mutter kontrolliert mittels sogenannt kleiner Ribonukleinsäure-Moleküle (siRNAs) die väterlichen Gene und hält diese für eine gewisse Zeit inaktiv bzw. bringt sie zum Schweigen. Im Laufe der weiteren Embryogenese werden die väterlichen Gene dann sukzessive eingeschaltet bzw. aktiviert, was ebenfalls von mütterlichen Faktoren abhängt. Für die Forschung kommt diese Erkenntnis überraschend, nahm man doch bisher an, dass die Funktion von siRNAs darin besteht, sogenannte hüpfende Gene (Transposons) in Schach zu halten.
Das vorübergehende Stummschalten der väterlichen Gene am Anfang der Embryogenese ist gemäss Grossniklaus aus Sicht der Mutterpflanze sinnvoll: Die Mutterpflanze investiert beträchtliche Ressourcen, um Samen zu produzieren. Bevor sie die dafür nötigen Ressourcen einsetzt, wird das männliche Genom auf seine Kompatibilität kontrolliert. Wenn das väterliche Genom zu weit entfernt ist, zum Beispiel von einer anderen Art stammt, stirbt der Pflanzenembryo ab. Die Interessen von mütterlicher und väterlicher Pflanze stehen am Anfang der Embryogenese in einem gewissen Widerspruch. Die pollenspendene, väterliche Pflanze hat das Interesse, dass ihre Nachkommen möglichst viele Ressourcen von der Mutterpflanze erhalten. Die weibliche Pflanze ist dagegen an möglichst gut kompatiblem Erbmaterial interessiert, um keine Ressourcen zu verschwenden. «Wir haben es mit einem klassischen Elternkonflikt zu tun», fasst Ueli Grossniklaus den Zielkonflikt zusammen.
Mütterliche Kontrolle gewährleistet das Aufrechterhalten der Artgrenzen
Die mütterlichen Gene kontrollieren und steuern die frühe Embryogenese. Bei Inkompatibilität sterben die Embryonen ab und eine Befruchtung mit Pollen verwandter Pflanzenarten ist nicht erfolgreich. Der von diesem internationalen Team entdeckte Mechanismus spielt somit möglicherweise für den Erhalt der Artgrenzen eine Rolle. Er liefert auch eine mögliche Erklärung dafür, weshalb Versuche Wildformen und Kulturpflanzen miteinander zu kreuzen – zum Beispiel um bei Wildpflanzen vorhandene Krankheitsresistenzen auf Kulturpflanzen zu übertragen – oft bereits in der frühen Embryogenese scheitern. Eine grosse Distanz zwischen mütterlichem und väterlichem Erbgut wird durch diesen Mechanismus erkannt, und die weitere Entwicklung des Embryos gestoppt. Die kommerziellen Entwickler von neuen Saatgutlinien werden sich somit die Frage stellen, ob und wie sich die mütterliche Kontrolle in der Frühphase der pflanzlichen Embryogenese umgehen lässt.
Literatur:
Daphné Autran, Célia Baroux, Michael T. Raissig, Thomas Lenormand, Michael Wittig, Stefan Grob, Andrea Steimer, Matthias Barann, Ulrich C. Klostermeier, Olivier Leblanc, Jean-Philippe Vielle-Calzada, Philip Rosenstiel,, Daniel Grimanelli und Ueli Grossniklaus
Maternal Epigenetic Pathways Control Parental Contributions to Arabidopsis Early Embryogenesis, Cell (2011), doi: 10.1016/j.cell.2011.04014.
Quelle
Parental conflict in plants: maternal factors silence paternal genes
In flowering plants, the beginning of embryogenesis is almost exclusively governed by maternal gene activity. Maternal factors regulate the development of the embryo and silence paternal genes during early stages of development. This finding – obtained using next generation sequencing technology – was reported by an international team of researchers including plant geneticists from the University of Zurich. This newly uncovered mechanism may be involved in the maintenance of species boundaries and could play an important role in the development of novel crop varieties.
Mother and father each contribute one half of the genetic information to their offspring. Thus, it was thought that both parents contribute equally to the development of the next generation. Indeed, this holds true for late stages of embryo development in plants, but early on, things are quite different: during the earliest phase of embryo development - from the fertilized egg to the globular stage - predominantly the maternal genes are active. This phase of development is controlled largely by maternal factors, which actively repress or silence the genes inherited from the father. This surprising finding was recently published in the renowned American journal CELL, by an international team of scientists led by plant geneticists from the Universities of Zurich and Montpellier.
Silenced Paternal Genes
For their analysis, the Zürich scientists crossed two genetically distinguishable races of the model plant Arabidopsis thaliana (tale cress) and analyzed the relative contributions of the parental genomes shortly after the first division of the fertilized egg. Such molecular genetic analyses of plant embryos at very early stages are technically challenging, which explains why up to now researchers resorted to studying embryos at later stages. But Ueli Grossniklaus, Professor for Plant Developmental Genetics at University of Zurich, has a marked preference for tackling experimentally challenging problems, including the study of gametes and very young embryos that are hard to obtain. Using "Next Generation Sequencing", a novel and powerful technology, Grossniklaus and colleagues were able to show that in an early phase of plant embryo development, predominantly maternal genes are active. Via small ribonucleic acid molecules (siRNAs), the maternal genome controls paternal genes to ensure that, initially, most remain inactive. In the course of development, paternal genes are sucessively activated, which also requires the activity of maternal factors. This finding is surprising because it contradicts earlier findings, which suggested that these siRNAs have a specifc role in preventing "jumping genes" (transposons) to move within the genome.
According to Grossniklaus, the transient silencing of the paternal contribution during early development of the offspring is in the mother plant’s best interest: the mother invests considerable resources into the formation of seeds. Before making this investment, the mother verifies the paternal contribution to the progeny for compatibility with her own genome. If the father’s genome is too divergent from her own, e.g., originating from a different species, the embryo will die. In fact, the two parental plants have opposing interests with regard to their offspring. The pollen-donating father is interested in maximizing transfer of resources from the mother to the offspring. By contrast, the mother plant aims at optimizing the match with the fathers genome in order to prevent a waste of resources. „We are dealing with a classical parental conflict“, Ueli Grossniklaus summarizes the opposing interests.
Maternal Control May Ensure the Maintenance of Species Boundaries
Maternally active genes direct and control early embryogenesis. Genetic incompatibility will cause embryos to abort, such that fertilization with pollen from other plant species is not successful. Therefore, the mechanism unraveled by Grossniklaus and colleagues may play an important role in the maintenance of species barriers. This may also explain why attempts to cross crop plants with their wild relatives, e.g., to transfer disease-resistance genes present in wild relatives to crops, often fail early in embryogenesis. A genetic divergence between the parents that is too large may be recognized by this novel mechanism, leading to embryo abortion. Commercial crop breeders will thus be interested in finding out how the maternal control of early plant embryo development can be circumvented in their breeding programs.
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