Die große Abweichlerin ist die kleine brasilianische Schnabelriede (Rhynchospora tenuis), ein unscheinbares Riedgras. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln berichtet diese Woche im Fachjournal Nature, dass die Pflanze ein fundamentales Prinzip der Genetik umgeht: Obwohl sie sich geschlechtlich fortpflanzt, entstehen am Ende Nachkommen, die genetisch praktisch identisch mit ihrer Mutter sind.

Fehlendes "Crossover"

Das klingt zunächst wie ein Widerspruch. Denn normalerweise beruht sexuelle Fortpflanzung auf der sogenannten Meiose, einer speziellen Form der Zellteilung. Dabei werden Keimzellen – Pollen und Eizellen – gebildet. Ein entscheidender Schritt dieses Prozesses ist das sogenannte "Crossover": Chromosomen, die von Mutter und Vater stammen, tauschen DNA-Abschnitte aus. Dadurch entstehen neue Kombinationen von Genen, die genetische Vielfalt schaffen und zugleich eine korrekte Verteilung der Chromosomen sichern. Genau dieser Schritt fehlt bei der brasilianischen Schnabelriede.

Die Forschenden analysierten neun Pflanzenpopulationen aus Brasilien mit modernen genomischen Methoden, visualisierten Chromosomen und untersuchten mehr als 10.000 einzelne Pollenkörner. Das Ergebnis überraschte selbst die Expertinnen und Experten: Weder in den männlichen noch in den weiblichen Keimzellen fanden sie Hinweise auf einen Austausch von DNA zwischen den Chromosomen. Damit dokumentiert die Studie erstmals bei einer ansonsten sexuell reproduzierenden Art ein vollständiges Fehlen von Crossovern in beiden Geschlechtern.

"Normalerweise würde man erwarten, dass eine solche Strategie zu Fruchtbarkeitsproblemen führt", sagt Studienleiter André Marques in einer Presseaussendung der Max-Planck-Gesellschaft. Denn ohne genetischen Austausch wird die korrekte Trennung der Chromosomen während der Meiose schwierig.

Besondere Chromosomen

Die Pflanze scheint dieses Problem jedoch auf ungewöhnliche Weise gelöst zu haben. Sie besitzt die niedrigste bekannte Chromosomenzahl unter den Blütenpflanzen und weist eine besondere Chromosomenarchitektur auf. Ihre Chromosomen sind sogenannte holozentrische Chromosomen. Anders als bei den meisten Organismen ist die für die Zellteilung wichtige Zentromerfunktion nicht auf einen einzelnen Punkt beschränkt, sondern über die gesamte Chromosomenlänge verteilt. Dadurch kann die Zellteilung nach anderen Regeln ablaufen.Doch damit nicht genug. Die Forschenden entdeckten auch einen ausgeklügelten Selektionsmechanismus. Einige Chromosomen sind durch sogenannte Transposons – "springende Gene" – größer geworden. Diese größeren Chromosomen werden sowohl über Pollen als auch über Eizellen bevorzugt weitergegeben.

Klone der Mutter

Nach der Befruchtung folgt eine weitere drastische Auslese. Rund 87 Prozent aller Samen sterben bereits in einem frühen Entwicklungsstadium ab. Nur jene Embryonen überleben, die exakt die richtige Kombination der Chromosomen geerbt haben und damit den genetischen Zustand der Mutterpflanze wiederherstellen. Am Ende bleibt nur ein kleiner Teil der Nachkommen übrig – und diese sind genetisch praktisch Klone ihrer Mutter.

Die Pflanze betreibt damit eine bemerkenswerte Mischform zwischen sexueller und ungeschlechtlicher Fortpflanzung. Sie produziert Pollen, befruchtet Eizellen und bildet Samen wie andere Blütenpflanzen auch. Gleichzeitig verhindert sie jedoch die genetische Durchmischung, die normalerweise das Wesen sexueller Fortpflanzung ausmacht.

Für Evolutionsbiologen wirft das neue Fragen auf. Seit mehr als einem Jahrhundert gilt Rekombination als unverzichtbarer Bestandteil sexueller Fortpflanzung. Die brasilianische Schnabelriede zeigt nun, dass die Natur offenbar auch andere Lösungen gefunden hat.

Praktische Bedeutung

Die Entdeckung könnte zudem praktische Bedeutung haben. Pflanzenzüchter versuchen seit Jahrzehnten, besonders erfolgreiche Genkombinationen dauerhaft zu erhalten. Häufig gehen diese durch die genetische Neukombination in den folgenden Generationen wieder verloren. Rhynchospora tenuis hat dieses Problem auf natürliche Weise gelöst.

"Die Fixierung einer leistungsstarken Kombination von Erbanlagen, sodass sie unverändert über Samen weitergegeben wird, ist genau das, was diese Pflanze erreicht", sagt Marques. Ein besseres Verständnis dieses Mechanismus könnte langfristig helfen, neue Züchtungsstrategien für Nutzpflanzen zu entwickeln. (red, tasch,)