Jahrbuch 2003/2004 Weigel, Detlef Das Genom als Schlüssel zum Verständnis der Anpassung von Pflanzen an ihre Umwelt

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1 Das Genom als Schlüssel zum Verständnis der Anpassung von Pflanzen The genome as key to understanding how plants adapt to their environment Weigel, Detlef Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen Korrespondierender Autor Zusammenfassung Das langfristige Ziel unserer Arbeiten ist es, die Mechanismen zu verstehen, mit denen sich Organismen an eine variable Umgebung anpassen. Voraussetzung dafür ist, dass man die Gene identifiziert, die für die Diversität im Erscheinungsbild von Pflanzen und Tieren verantwortlich sind. Auf dem Verständnis der Funktionsweise genetischer Netzwerke aufbauend möchten wir verstehen, welche Bedeutung die Variation im Erscheinungsbild von Lebewesen für die Anpassung an ihren Lebensraum hat. Diese Erkenntnisse sind nicht nur von rein akademischem Interesse, sondern werden uns auch helfen, die zukünftige Entwicklung von tierischen und pflanzlichen Populationen in einer Ära, in der sich die Umwelt besonders durch menschlichen Einfluss rapide verändert, voraussagen zu können. Summary Our long-term goal is to understand the mechanisms underlying variation in adaptive traits. As a prerequisite, the genes that are used by wild plants and animals to create phenotypic diversity need to be defined. By integrating a mechanistic understanding of genetic networks with an understanding of the adaptive significance of trait variation, it should be possible to identify functionally divergent alleles in natural populations. This knowledge can be used to understand the genetic mechanisms underlying adaptive change, and to predict the performance of natural populations under changing environmental conditions. Genomweite Studien des Blühverhaltens In der Entwicklungsbiologie konzentrieren wir uns auf das Blühverhalten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, einer nahen Verwandten von Raps, Kohl und Senf. Wir sind besonders daran interessiert, die mit dem Blühen einhergehenden Veränderungen auf einer globalen (genomweiten) Ebene zu verstehen. Zu diesem Zweck haben wir in den letzten Jahren verstärkt die Technologie der Microarrays eingesetzt, mit der wir die Aktivität (fast) aller Gene im Genom gleichzeitig untersuchen können. Diese Untersuchungen erlauben uns, die von einzelnen regulatorischen Genen ausgelösten Effekte viel genauer als bislang üblich zu vergleichen und somit die Beziehungen zwischen diesen Genen viel präziser zu analysieren. Mithilfe der Microarrays haben wir auch 2004 Max-Planck-Gesellschaft 1/5

2 vorher gänzlich unbekannte Klassen von Genen entdeckt, die bei der Aktivierung oder Repression des Blühprogramms eine wichtige Rolle spielen (Abb. 1). Ein Beispiel sind zwei sehr ähnliche Gene, die wir SCHLAFMÜTZE und SCHNARCHZAPFEN genant haben. Die Aktivität dieser Gene muss herunterreguliert werden, damit Pflanzen zügig blühen können. Geschieht dies nicht, wird das Blühen stark verzögert. Diese beiden Gene konnten mit konventionellen Methoden nicht identifiziert werden, da sie redundant wirken; wenn man, wie in genetischen Untersuchungen normalerweise üblich, nur eines der beiden Gene ausschaltet, beobachtet man keine Veränderung, da das andere, nah verwandte Gen die entsprechende Funktion auch alleine ausüben kann. Gleichzeitige Messung der Aktivität von Genen, die durch einen Stim ulus, der das Blühen fördert, reprim iert (links) oder induziert (rechts) werden. Links ist jeweils ein Stam m gezeigt, in dem die Antwort auf diesem Stim ulus stark abgeschwächt ist. Die Zahlen geben die Anzahl der Tage nach Überführung vom Kurztag (8 Stunden Licht) in den Langtag (16 Stunden Licht). MicroRNAs - kleine Moleküle mit großen Auswirkungen Die Analyse von SCHLAFMÜTZE und SCHNARCHZAPFEN ist einer der Wege, auf denen wir auf die Funktion von kleinen regulatorischen RNA-Molekülen stießen, die in den letzten Jahren als MicroRNAs bekannt geworden sind. Die Aktivität der meisten Gene, die für Proteine kodieren, wird primär durch die Produktionsrate ihrer Boten-RNAs bestimmt. Die Boten-RNAs selber können jedoch auch auf vielfältige Weise reguliert werden, zum Beispiel über ihre Stabilität. Dabei kommt den MicroRNAs eine überragende Rolle zu, deren Bedeutung erst vor etwa zwei Jahren in ihrer ganzen Tragweite erkannt wurde. SCHLAFMÜTZE und SCHNARCHZAPFEN weisen beide Sequenzen auf, die möglicherweise an eine bestimmte MicroRNA binden können, die die Abkürzung mir172 trägt. Tatsächlich verhält sich die mir172 MicroRNA genau anders herum wie SCHLAFMÜTZE und SCHNARCHZAPFEN. Während die Menge der MicroRNA erhöht wird, nachdem man einen Blühstimulus gibt, wird die Boten-RNA von SCHLAFMÜTZE und SCHNARCHZAPFEN durch denselben Stimulus verringert. Weiterhin bewirkt eine künstliche Erhöhung der MicroRNA das Gegenteil von verstärkter SCHLAFMÜTZE- und SCHNARCHZAPFEN-Aktivität, nämlich einen viel schnelleren Übergang zum Blühen. MicroRNAs bei der Blattentwicklung Der zweite Weg, auf dem wir auf die Rolle von MicroRNAs in der Pflanzenentwicklung gestoßen sind, begann mit der jaw-mutante, die gekräuselte Blätter hat (Abb. 2). Wir hatten diese Mutante schon seit längerem in unseren Händen, konnten uns aber nie einen Reim auf die mögliche Ursache machen, da das Gen nicht für ein 2004 Max-Planck-Gesellschaft 2/5

3 Protein kodieren zu schien. Wiederum durch Microarrays fanden wir heraus, dass in jaw-pflanzen die Boten- RNAs einer Gruppe verwandter Gene, die TCP-Gene genannt werden, vermindert sind. Als wir diese Gene miteinander verglichen, stellten wir fest, dass ein kurzer Abschnitt in der Boten-RNA in allen Genen fast gleich war. Das war auffällig, da die meisten Aminosäuren mehrere RNA-Kodons haben und deshalb die RNA- Sequenzen stärker variieren als die entsprechenden Proteinsequenzen. Als wir uns diese ungewöhnlich stark konservierte RNA-Sequenz genauer anschauten, bemerkten wir nicht nur, dass im JAW-Gen eine ähnliche Sequenz vorhanden ist, sondern auch, dass diese Sequenz Ähnlichkeit mit einer bereits vorher bekannten MicroRNA, mir159, hat. Weitere Experimente bestätigten, dass das JAW- Gen eine MicroRNA produziert, die jetzt die Bezeichnung mir319 erhalten hat. Effekt einer MicroRNA auf die Blattform. Links, eine norm ale Arabidopsis thaliana Pflanze. Rechts, eine Pflanze m it verstärkter Aktivität einer bestim m ten MicroRNA, die die Boten-RNA von Genen zerstört, die für das norm ale Wachstum von Blättern benötigt werden. Um zu beweisen, dass der MicroRNA-induzierte Abbau von TCP Boten-RNAs auch für die normale Entwicklung von Bedeutung ist, haben wir gezeigt, dass veränderte TCP-Gene, die zwar ein normales Protein produzieren, die aber die mir319 MicroRNA nicht mehr binden können, erhebliche Defekte im Erscheinungsbild der Pflanze verursachen. Diese Arbeiten waren die ersten, die eine konkrete Verbindung zwischen einer MicroRNA und einem spezifischen Entwicklungsprozess der Pflanze herstellten, und sie wurden zusammen mit anderen MicroRNA- Untersuchungen in die engere Wahl gezogen, als das Wissenschaftsmagazin Science den wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres 2003 kürte. Netzwerke von MicroRNAs Um die generellen Mechanismen zu erforschen, mit denen MicroRNAs Zielgene regulieren, haben wir jetzt damit begonnen, systematisch Pflanzen zu untersuchen, in denen die Aktivität einzelner MicroRNAs erhöht ist. Indem wir genomweit die Aktivität aller Boten-RNAs messen, haben wir neue Regeln für die Erkennung von Boten-RNAs durch MicroRNAs ableiten können. Unter den MicroRNAs, mit denen wir uns im Detail beschäftigen, gibt es auch eine, die ein zur mir172 MicroRNA gegensätzliches Aktivitätsmuster aufweist und deren Zielgene im Gegensatz zu SCHLAFMÜTZE und SCHNARCHZAPFEN in ihrer Aktivität zunehmen, sobald das Blühen induziert wird. Die Ergebnisse dieser Arbeiten haben gezeigt, dass es anscheinend Netzwerke regulatorischer MicroRNAs und ihrer Zielgene gibt, die sich wiederum nicht nur gegenseitig kontrollieren, sondern auch auf gemeinsame andere Zielgene wirken. Natürlich vorkommende Variation im Blühverhalten 2004 Max-Planck-Gesellschaft 3/5

4 Eine der wichtigsten Fragen in der Biologie ist, wie sich Organismen anpassen, was nach langer Zeit sogar zur Entstehung neuer Organe führen kann. Viele Entwicklungsbiologen versuchen, diese Frage zu beantworten, indem sie komplexe Strukturen in entfernt verwandten Arten untersuchen, die in ihrem Erscheinungsbild sehr unterschiedlich sind. Die Schwierigkeiten dabei erkannte bereits Darwin: "To suppose that the eye with all its inimitable contrivances... could have been formed by natural selection, seems, I freely confess, absurd to the highest degree." Eine große Hürde bei der Studie solcher Probleme ist, dass man entfernt verwandte Organismen, zum Beispiel ein Insekt, das Augen hat, und einen einfachen Wurm, der noch ohne Augen auskommt, nicht kreuzen kann, und einem deshalb die Werkzeuge der Genetik nicht zur Verfügung stehen. Als Alternative zu so genannten makroevolutionären Untersuchungen beschäftigen wir uns mit Variation innerhalb von Arten. Eines der Modelle, die wir untersuchen, ist das Blühverhalten in wild vorkommenden Stämmen von Arabidopsis thaliana, die über einen großen Teil der nördlichen Hemisphäre verbreitet sind. Da Pflanzen zur richtigen Zeit blühen müssen, um sich erfolgreich fortzupflanzen, kann man erwarten, dass das Blühverhalten von verschiedenen Stämmen an deren unterschiedliche Herkunftsorte angepasst ist. Tageslänge, Temperatur sowie eine ausgedehnte Kältebehandlung, wie sie für den Winter typisch ist, gehören alle zu den bekannten Faktoren, die das Blühen beeinflussen. Arabidopsis thaliana Pflanzen unterschiedlicher Herkunft blühen zu unterschiedlichen Zeiten. Wir haben ausführliche Variation in der Antwort von Arabidopsis-Stämmen auf die drei genannten Umwelteinflüsse dokumentieren können. Im Gegensatz zur Lichtsensitivität, die wir bereits vor mehreren Jahren untersucht haben, fanden wir jedoch keinen offensichtlichen Zusammenhang zwischen Breitengrad des Herkunftsortes (der die Tageslänge und Durchschnittstemperatur bestimmt) und dem Blühverhalten, was darauf hinweist, dass es noch andere lokale Faktoren geben muss, die die Anpassung im Blühverhalten beeinflussen. Einige dieser Stämme weisen eine recht ungewöhnliche Antwort auf die verschiedenen 2004 Max-Planck-Gesellschaft 4/5

5 Umwelteinflüsse auf, und wir sind jetzt dabei, die molekularen Grundlagen dieser Unterschiede zu bestimmen Max-Planck-Gesellschaft 5/5