Fortpflanzung ist bekanntlich eine anstrengende Sache. Besonders, wenn feindliche Bedingungen herrschen und es von evolutionärem Vorteil ist, wenn männliche Organismen ihre Keimzellen - Samen bei Tieren, Pollen bei Pflanzen - möglichst breit streuen. Im geschützten Rahmen, wie er etwa in der Landwirtschaft herrscht, kostet die Überproduktion von Pollen nur unnötig Energie, die fürs eigene Gedeihen eingesetzt werden könnte. So weit die Theorie.
Eine internationale Studie unter der Leitung von Kentaro Shimizu, Professor für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften an der Universität Zürich (UZH). liefert nun den Beweis. Die Studie hat gezeigt, dass eine Verringerung der Pollenzahl bei einer Art, die sich selbst befruchtet, nicht unbedingt schädlich, sondern eher vorteilhaft ist.
Für ihre Untersuchung verwendeten die Forschenden die Modellpflanze Arabidopsis thaliana - auch Acker-Schmalwand oder Gänserauke genannt - die sich hauptsächlich selbst befruchtet und im Vergleich zu ihren Verwandten in der freien Natur eine geringere Anzahl an Pollen aufweist. Sie zählten die Pollen von 144 Einzelpflanzen, die sich genetisch leicht unterscheiden, und fanden Unterschiede von 2000 bis 8000 Pollen pro Blüte. Dann verglichen sie die gesamte genetische Information aller Pflanzenindividuen und suchten nach Unterschieden zwischen Pflanzen mit höheren und niedrigeren Pollenzahlen.
Diese Computeranalyse, eine so genannte genomweite Assoziationsstudie, führte zur Identifizierung eines Gens, das die Zahl der Pollen beeinflusst, die jede Pflanze produziert. Die Forschenden gaben dem Gen den Namen Reduced Pollen Number1 (RDP1).
Mit Hilfe der neuartigen CRISPR-Cas9 Technology zum Editieren von Genen erzeugten die Forschenden dann mehrere mutierte Varianten des RDP1-Gens, sowohl in Pflanzen mit hoher als auch mit niedriger Anzahl an Pollen. Sie kreuzten die mutierten Pflanzen miteinander und zählten die Pollen, die die gemischten Nachkommen produzierten.
«Diese Experimente bestätigten den subtilen, aber signifikanten Effekt des RDP1-Gens», sagt Co-Autorin Misako Yamazaki, technische Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von Shimizu. Ein Vergleich mit anderen Organismen ergab, dass das Gen für einen Faktor kodiert, der den Aufbau von Ribosomen - den zellulären Fabriken für die Proteinherstellung - begünstigt.
«Die Erkenntnisse unterstützen die theoretische Vorhersage, dass eine geringere Investition in männliche Keimzellen von Vorteil ist. Dies ist nicht nur wichtig für die Evolutionsbiologie, sondern auch allgemein für die praktische Anwendung in der Pflanzenzucht und im Anbau», erklärt Shimizu.
«Viele Nutzpflanzen haben aufgrund der Domestizierung eine reduzierte Anzahl von Pollen. Eine Senkung der Kosten für die Produktion von Pollen könnte den Ernteertrag steigern. Andererseits könnten zu wenige Pollenkörner aber auch die Züchtung und Saatgutherstellung behindern. Unsere Studie öffnet den Weg für die molekulare Züchtung der optimalen Zahl an Pollen».
*Fachartikelnummer Fachzeitschrift «Nature Communications» vom 8. Juni 2020: DOI: 10.1038/s41467-020-16679-7 (SDA)