Gevaarlijke liefdesaffaires tussen planten

Genetische onverenigbaarheid laat "K mmerlinge" naar voren komen

Een voorbeeld van hybride necrose in tuinkers. Rechts en links gezonde ouders, in het midden een zieke hybriden. © MPG / Kirsten Bomblies
voorlezen

Zelfs onder planten zijn er "fatale paren": zoals wetenschappers hebben ontdekt, leiden genetische intoleranties tot het ontstaan ​​van bepaalde kruisen binnen een soort "struikelblokken". Hierin veroorzaakt een veranderde genactiviteit een auto-immuunreactie, die uiteindelijk leidt tot geremde groei en soms tot de inname van de jonge plant.

Plantengenetici kennen het probleem, evenals fokkers van dieren: individuele individuen of hele nesten sterven vroeg of willen niet gedijen als "cowlets". Wat fokkers ergert fascineert genetici en moleculair biologen - zijn deze exemplaren een voorbeeld van het feit dat genetisch materiaal niet vrij kan worden gecombineerd. Er lijken barrières te zijn die de uitwisseling van genetisch materiaal niet alleen tussen gevestigde soorten maar ook tussen variëteiten van dezelfde soort beperken. Hoe deze obstakels ontstaan, is uiterst belangrijk om de biodiversiteit te begrijpen, maar tot nu toe was het grotendeels onbekend.

Samen met collega's uit Tübingen en de VS heeft Detlef Weigel van het Max Planck Instituut voor Ontwikkelingsbiologie nu aangetoond dat aandoeningen in het immuunsysteem van de plant leiden tot reproductieve problemen, die op hun beurt een eerste stap vormen naar soortvorming. Het internationale team onderzocht een genetische onverenigbaarheid genaamd hybride necrose in de tuinkers Arabidopsis thaliana.

Oorzaak van "Kümmerlingen" onderzocht

Het werk werd in gang gezet door de resultaten gepresenteerd door de biologen van Tübingen in het huidige nummer van het tijdschrift "PLoS Biology". De waarneming was dat "zorgzame" hybriden in verschillende plantensoorten altijd vergelijkbaar zijn: ze blijven groeien, bladeren worden geel en weefselafwijkingen ontwikkelen zich, en vaak blijft de bloem eraf. "Er werd vermoed dat het fenomeen van hybride necrose altijd gebaseerd is op hetzelfde biochemische mechanisme", legt Weigel, directeur van de MPI voor Ontwikkelingsbiologie, uit.

Om deze veronderstelling te testen, hebben de Max Planck-onderzoekers in totaal 280 Arabidopsis-stammen van verschillende locaties onderzocht en deze in 861 verschillende combinaties gekruist. De meeste van de aldus verkregen hybride planten groeiden normaal en krachtig, maar ten minste 20 - dat wil zeggen iets minder dan twee procent - van de hybriden produceerden "stekende pellets". Zoals uitgebreide genetische analyses onthulden, hadden al deze hybriden een zeer vergelijkbaar patroon: weergave

Ongeveer 1.000 genen waren significant sterker of zwakker in alles dan in de gezonde ouderplanten. Het genprofiel van de hybriden was ook kenmerkend voor een sterke activering van het immuunsysteem. Gewoonlijk valt het immuunsysteem van de plant alleen geïnfecteerde cellen aan en vernietigt deze. Anderzijds was het bij de zorgzame hybriden ook gericht tegen gezond weefsel, ongeacht of er ziekteverwekkers waren of niet. Het is duidelijk dat de hybride planten hun eigen lichaam verward met gevaarlijke kiemen.

Schadelijke interacties tussen normale genen

Hoewel de genetische oorzaak voor deze auto-immuunreactie verschilde van kruis tot kruis, werd het vaak gevonden in slechts twee genen die niet werden getolereerd. Een van de fatale genen kwam van de vader en de andere van de moeder. In één geval, dat de wetenschappers in detail hebben bestudeerd, was een van deze genen, waardoor de hybriden, maar niet de ouders, ziek waren, een ziekteverwekker.

Zoals de onderzoekers benadrukken, worden de hybriden echter niet het slachtoffer van defecte genen: in tegenstelling tot sommige erfelijke ziekten, komen ze geen twee defecte varianten van een en hetzelfde gen tegen. Er zijn eerder schadelijke interacties tussen genen die zich anders hebben ontwikkeld in de twee ouderstammen. Elk gen is onschadelijk, de ouders zijn volledig gezond. Alleen de combinatie van beide erfelijke systemen leidt tot problemen. Volgens hun ontdekkers wordt dit type genetische incompatibiliteit Dobzhansky-Muller incompatibiliteit genoemd.

Genetische barrières ook binnen de soort

Weigels werk bevraagt ​​het klassieke concept van de natuur, volgens welke individuen van één soort met elkaar kunnen paren en vruchtbaar nageslacht kunnen voortbrengen, maar niet met individuen van andere soorten. Blijkbaar is de uitwisseling van genen binnen een soort onderworpen aan aanzienlijke beperkingen - in de Tinger-studie was tenslotte ongeveer elke vijftigste kruising niet succesvol. "Het splitsen van soorten moet worden opgevat als een geleidelijk proces waarbij genetische barrières binnen een soort toenemen tot het punt waarop uiteindelijk geen kruising tussen twee groepen individuen mogelijk is", zegt Weigel.

Wanneer planten fout zijn in de Schindling-verdediging

Hoewel deze visie al is vastgesteld, is het nog grotendeels onduidelijk waarom dergelijke genetische barrières daadwerkelijk ontstaan. Welk voordeel heeft de plant als het mogelijk is dat alle nakomelingen verloren gaan van een kruis? De huidige studie biedt een mogelijke verklaring: het plantengenoom verandert onder druk om zich te verdedigen tegen ongedierte. "Planten en plagen zijn in een soort reddingsrace", zegt Jeff Dangl, een professor aan de North Carolina University en co-auteur. De ziekteverwekkers ontwikkelen voortdurend nieuwe strategieën om aan de immuunafweer van de plant te ontsnappen. In ruil daarvoor probeert de plant zich voor te bereiden op een veelvoud van mogelijke nieuwe "wapens". Op zo'n geavanceerde manier kan het zelfs onschadelijke eiwitvarianten van een ver familielid als gevaarlijk en aanval classificeren.

Toepassing in de landbouw

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de bevindingen van Arabidopsis kunnen worden overgedragen op andere plantensoorten. Enkele veel voorkomende kenmerken suggereren dat hybride necrose in gewassen zoals tarwe hetzelfde mechanisme heeft als thale tuinkers. Dangl gelooft daarom dat Arabidopsis kan dienen als een model voor verder onderzoek naar hybride necrose. "Een dergelijk model zou van grote waarde zijn voor de teelt van gewassen. Hier belemmert genetische incompatibiliteit enkele nieuwe kruisen ", zegt de expert in plantpathogenen.

De constatering dat slechts enkele genen betrokken zijn bij de ontwikkeling van hybride necrose geeft de onderzoekers extra aanmoediging. Blijkbaar zijn slechts kleine genetische veranderingen nodig om kruisende barrières te omzeilen en de gewenste combinatie van kenmerken te bereiken. De keerzijde van de medaille is dat kleine wijzigingen in het genoom de uitwisseling van genen tussen verwante individuen kunnen belemmeren en geen massale innovatie vereisen om nieuwe soorten te vormen.

(MPG, 05.09.2007 - NPO)