URBANA, Ill. – Wissenschaftler kommen der Entdeckung der Gene für Männlichkeit in Wasserhanf und Palmamaranth, zwei der problematischsten landwirtschaftlichen Unkräuter in den USA, immer näher
Das Auffinden der Gene könnte neue Methoden zur „genetischen Bekämpfung“ der Unkräuter ermöglichen, die vielerorts nicht mehr auf Herbizide reagieren.
„Wenn wir wüssten, welche Gene die Männlichkeit kontrollieren, und wir diese Gene innerhalb der Population vermehren könnten, wäre jede Pflanze auf dem Feld nach ein paar Generationen ein Männchen, und theoretisch würde die Population zusammenbrechen“, sagt Pat Tranel, Professor und stellvertretender Leiter im Institut für Nutzpflanzenwissenschaften im University of Illinois und Hauptautor einer Studie in New Phytologist.
Tranel und seine Kollegen hatten zuvor molekulare Marker identifiziert, die mit der männlichen Genomregion assoziiert sind. Nach Sequenzierung der Genome männlicher Unkräuter Bei beiden Arten konnten die Forscher diese Marker nutzen, um die männlich-spezifische Region zu lokalisieren. Jetzt sind es nur noch 120 bis 150 Gene, um ihr Ziel zu finden.
„Wir sind zuversichtlich, dass die meisten dieser etwa 120 Gene wahrscheinlich nichts bewirken. Es handelt sich lediglich um Dinge, die sich in dieser Region des Genoms ansammeln“, sagt Tranel. „Wenn ich raten müsste, würde ich sagen, dass vielleicht zehn von ihnen tatsächlich etwas Relevantes tun.“
Die Eingrenzung der geschlechtsspezifischen Gene dieser Unkräuter könnte für die Bekämpfung von praktischem Wert sein, aber die Studie wirft auch ein allgemeineres Licht auf das Phänomen der Diözie – männliche und weibliche Geschlechtsorgane bei getrennten Individuen. Die überwiegende Mehrheit der Tiere ist zweihäusig, bei Pflanzen ist dies jedoch selten. Mehr als 90 % der Blütenpflanzen haben beide Geschlechtsorgane am selben Individuum und oft innerhalb derselben Blüte.
Wasserhanf und Palmer Amaranth sind jedoch zweihäusig.
Diözie bedeutet, dass es einer Pflanze unmöglich ist, sich selbst zu bestäuben. Stattdessen müssen weibliche Gameten durch männliche Pollen einer anderen Pflanze befruchtet werden. Das ist eine gute Sache, um die genetische Vielfalt in einer Population sicherzustellen. Und es ist wahrscheinlich der Grund dafür, dass Wasserhanf und Palmer Amaranth den schädlichen Auswirkungen mehrerer Herbizide so erfolgreich entgehen.
„Bisher haben Wasserhanf und Palmer Amaranth eine Resistenz gegen Herbizide mit sieben bzw. acht Wirkungsweisen entwickelt. Die zweihäusige Fortpflanzung führt dazu, dass alle diese Resistenzmerkmale innerhalb der Individuen gemischt und aufeinander abgestimmt sind. Diese Vermischung hat es den Populationen beider Arten ermöglicht, mehrere Herbizidresistenzen zu kombinieren, sodass den Erzeugern nur wenige wirksame Herbizidoptionen zur Verfügung stehen“, sagt Tranel.
Das Verständnis des seltenen Phänomens der Diözie bei Pflanzen kann Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, wie Merkmale von jedem Elternteil vererbt werden, und zu verstehen, wie sich das Phänomen entwickelt.
Anders als bei Tieren, bei denen angenommen wird, dass sich die Diözie nur einmal entwickelt hat, gehen Wissenschaftler davon aus, dass sich die Diözie bei Pflanzen mehrmals entwickelt hat. Und laut Tranels Studie scheint es sich unabhängig voneinander in Wasserhanf und Palmenamaranth entwickelt zu haben, zwei sehr eng verwandten Arten.
„Ich bin nicht bereit zu sagen, dass wir absolut wissen, dass sie sich getrennt entwickelt haben, aber alle Informationen, die wir gefunden haben, stützen diese Idee. Nur zwei der 120–150 Gene waren einander bei beiden Arten ähnlich“, sagt Tranel.
Eines dieser gemeinsamen Gene, Florigen, hilft Pflanzen, auf die Tageslänge zu reagieren, indem sie die Blüte einleiten. Tranel weiß noch nicht, ob es das Geschlecht der Blüten bestimmt, aber er ist neugierig, dass es bei beiden Arten in der männlichen Y-Region vorkommt.
„Wir wissen es nicht genau, aber vielleicht liegt es daran, dass die Männchen früher blühen als die Weibchen. Das könnte für Männchen von Vorteil sein, denn dann würden sie Pollen abgeben, wenn die ersten Weibchen empfänglich werden. Wenn also tatsächlich Palmer und Wasserhanf die Diözie tatsächlich getrennt entwickelt hätten, aber beide dieses Florigen-Gen für einen Fitnessvorteil erworben hätten, wäre das ein cooles Beispiel für eine parallele Evolution.“
Tranel hofft, die männlich-spezifische Y-Region bei beiden Arten noch weiter einzugrenzen, um die Gene zu isolieren, die die Männlichkeit bestimmen. Es gibt keine Garantie dafür, dass eine genetische Kontrolllösung entwickelt wird, sobald diese Gene identifiziert sind – Tranel müsste dafür wahrscheinlich Industriepartner gewinnen –, aber ein solches Tool zu haben, ist nicht mehr so weit entfernt wie früher.
Der Artikel „Männchenspezifische Y-chromosomale Regionen in Wasserhanf (Amaranthus tuberculatus) und Palmer Amaranth (Amaranthus palmeri)“, ist veröffentlicht in New Phytologist [DOI: 10.1111 / nph.17108]. Zu den Autoren gehören Jacob Montgomery, Darci Giacomini und Pat Tranel von der University of Illinois sowie Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. Das Projekt wurde unterstützt von der USDA Nationales Institut für Ernährung und Landwirtschaft und der Max-Planck-Gesellschaft.
Die Abteilung für Nutzpflanzenwissenschaften ist in der Hochschule für Agrar-, Verbraucher- und Umweltwissenschaften im Illinois-Unkrautwissenschaft.