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Mutationen im Pflanzenreich

Vegane Fehlerkultur

Von Diemut Klärner
 - 18:41
Der Hallimasch oder Honigpilz (Armillaria) wächst bevorzugt auf Wiesen,  befällt aber auchlebendes und totes Holz. zur Bildergalerie

Ohne Mutation keine Evolution. Damit sich Arten verändern und neue entstehen können, braucht es genetische Vielfalt. Zu viele Mutationen wirken allerdings fatal. Denn nicht selten erweist sich eine genetische Variante als schädlich oder gar tödlich. Kein Wunder also, dass sich ganz natürlich eine raffinierte molekulare Maschinerie entwickelt hat, die auftretende Fehler im Genom meist umgehend korrigiert. Wenn trotzdem Mutationen an die nächste Generation vererbt werden können, ist es besonders wichtig, ihre Anzahl gering zu halten. Tiere separieren deshalb oft jene Zellen, die später Ei- oder Samenzellen liefern, schon frühzeitig von den übrigen Körperzellen.

Pflanzen sind genetisch zwar ganz anders organisiert als Tiere, aber auch Wurzeln, Blätter und Blüten weisen unterschiedliche Mutationsraten auf. Das hat eine britisch-chinesische Forschergruppe entdeckt, als sie das Genom sieben verschiedenartiger Gewächse untersuchte, darunter das Erbgut des Zwergpfirsichs (Prunus persica), des Tibetischen Pfirsichs (Prunus mira) und das der Japanischen Pflaume (Prunus mume). Die Wissenschaftler um Long Wang von der Universität in Nanjing und Laurence D. Hurst von der University of Bath isolierten jeweils das Erbgut aus bestimmten Pflanzenteilen, etwa aus Blattproben, die verschiedenen Zweigen entnommen wurden, oder aus verschiedenen Wurzelproben ein und desselben Baums. In jeder einzelnen Probe suchten die Forscher mit Algorithmen nach eindeutig identifizierbaren Mutationen.

Anhand des Alters der untersuchten Pflanze konnten Wang und seine Kollegen schließlich die jährliche Mutationsrate berechnen. Wie sie in der Online-Zeitschrift „Plos Biology“ berichten, erwies sich die Mutationsrate als umso kleiner, je langlebiger die untersuchte Baumart war. Ein Phänomen, das man auch bei Säugetieren beobachtet. Beim Menschen zum Beispiel ist die Mutationsrate der Körperzellen deutlich geringer als bei Mäusen, die maximal ein Alter von wenigen Jahren erreichen. Betrachtet man unterschiedliche Pflanzenteile desselben Baums, so finden sich in den Blättern signifikant weniger Mutationen als in den Wurzelspitzen. Ganz im Einklang mit dem Umstand, dass die oberirdischen Sprosse nicht nur Laub tragen, sondern auch Blüten und Früchte, aus denen eine neue Generation entstehen kann.

Das Monster unter den Pilzen

Bei den rosafarbenen Blättern von Pfirsichblüten, die Insekten zur Bestäubung anlocken, stellten die Forscher allerdings doppelt so viele Mutationen fest wie bei den grünen Blättern. Da Blütenblätter schon nach ein paar Tagen welken, kommt es hier offenbar nicht so sehr darauf an, die Mutationsrate möglichst niedrig zu halten. Weniger gründlich betrieben wird die Korrektur von fehlerhafter DNA auch bei kurzlebigen Gewächsen, zum Beispiel bei der Steifen Zwenke, einem im Mittelmeerraum und Südwestasien heimischen Gras, der Ackerschmalwand, einem Lieblingspflänzchen der Genetiker, und bei der Kulturpflanze Reis. Die jährlichen Mutationsraten dieser Pflanzen erwiesen sich als vierzig- bis hundertmal so hoch wie diejenigen des Tibetischen Pfirsichbaums. Wenn ein solcher Baum ein paar Jahrhunderte alt geworden ist, hat er seinen Nachkommen trotzdem viel mehr Mutationen mitgegeben als eine Pflanze, deren Lebensspanne nur ein paar Monate beträgt. Das bestätigten die Genom-Analysen von Samen.

Auch manche Pilze erreichen ein hohes Alter. Diese Organismen – von Systematikern gewöhnlich dem Pflanzenreich zugerechnet, aber eher mit den Tieren verwandt – wachsen als hauchdünne, reich verzweigte Pilzfäden häufig im Verborgenen. Ans Tageslicht kommen – zur Freude von Pilzsammlern und -essern – meist nur die Fruchtkörper.

Von Steinpilz und Pfifferling unterscheidet sich ein Hallimasch – auch Honigpilz genannt – dadurch, dass er mit Bäumen nicht in Symbiose lebt. Stattdessen ernährt er sich von totem Holz, kann sich aber auch an lebenden Wurzeln und Stämmen vergreifen. Am gründlichsten erforscht ist ein Exemplar des Dunklen Laubholz-Hallimaschs (Armillaria gallica), das vor dreißig Jahren in den Wäldern von Michigan entdeckt wurde. Der Pilz erstreckt sich über eine Fläche von mehr als einem halben Quadratkilometer. Sein Gewicht wird auf etwa vierzig Tonnen geschätzt, sein Alter auf mehr als 2500 Jahre. Biologen um James B. Anderson von der University of Toronto in Mississauga, Johann N. Bruhn von der University of Missouri in Columbia und Hao Wang von der Carleton University in Ottawa haben kürzlich das Genom dieses Ungetüms unter die Lupe genommen. Sie analysierten vor allem DNA-Proben der für Hallimasch typischen Rhizomorphen. Das sind millimeterdicke Bündel aus zarten Pilzfäden, geschützt von einer Rinde aus dickwandigeren Pilzzellen.

Ähnlich wie Pflanzenwurzeln breiten sich die Rhizomorphen der Pilze im Waldboden aus und erschließen dabei neue Nahrungsquellen. Wie bei Pflanzen und Tieren treten Mutationen auch bei Pilzen meist dann auf, wenn das Genom während einer Zellteilung dupliziert wird. Die Größe des Hallimasch-Genoms lässt bei fünfzig Zellteilungen mindestens einen Fehler erwarten. Erstaunlicherweise unterschieden sich aber selbst Pilzproben, die etwa einen Kilometer entfernt voneinander entnommen wurden, durchschnittlich nur in zwanzig Mutationen.

Das stabile Genom des Hallimaschs

Geht man von einer Mutation pro fünfzig Zellteilungen aus, so müsste der Hallimasch zwanzig Mutationen nach ungefähr tausend Zellteilungen angehäuft haben. Wie aber kann er damit einen Kilometer weit gewachsen sein, wenn die einzelnen Pilzzellen nicht einmal einen Millimeter groß sind?

Möglicherweise, so die Überlegung der Forscher, teilen sich die Zellen an der Spitze von Rhizomorphen nur extrem selten. Ähnlich wie bei pflanzlichen Sprossen könnten die Zellen in Spitzenposition von einer weiter hinten liegenden Wachstumszone vorwärtsgeschoben werden. An der Spitze jugendlich geblieben, wären auch die Rhizomorphen uralter Pilze noch vital genug, um neue Bäume zu infizieren.

Womöglich ist das Genom des Hallimaschs aber auch deshalb so enorm stabil, weil die Zellmaschinerie, die defekte DNA repariert, außergewöhnlich effizient arbeitet. Diese Hypothese passt auch zu Beobachtungen am Nelken-Schwindling (Marasmius oreades), einem Pilz, der gar keine Rhizomorphen ausbildet. Schwedische Wissenschaftler um Markus Hiltunen, Magdalena Grudzinska-Sterno und Hanna Johannesson von der Universität Uppsala hatten diesen hellbraunen Lamellenpilz, der gern Rasenflächen besiedelt und sich vom Humus im Boden ernährt, aus gutem Grund als Forschungsobjekt gewählt. Der Nelken-Schwindling wächst nämlich von Anfang an gleichmäßig nach allen Seiten. Während die älteren Pilzfäden im Zentrum absterben, bilden die jüngeren an der Peripherie ringförmig angeordnete Fruchtkörper. Von sechs solchen „Hexenringen“ sammelten die Biologen insgesamt vierzig DNA-Proben.

Da die Fruchtkörper so schön im Kreis wuchsen, ließ sich die Zahl der Zellteilungen in jedem Hexenring recht genau abschätzen. Damit konnte die Zahl der entdeckten Mutationen in die Wahrscheinlichkeit umgerechnet werden, dass während einer Zellteilung tatsächlich eine Mutation auftritt. Die so ermittelte Mutationsrate erwies sich als verblüffend gering. Sie beläuft sich auf etwa ein Hundertstel der Rate von Hefezellen. Wie es dem Nelken-Schwindling gelingt, die Mutationsrate so klein zu halten, bleibt eine offene Frage.

Was evolutionsbiologisch hinter seinem extrem stabilen Genom steckt, ist dagegen offensichtlich: Da jede Pilzzelle das Potential hat, sich zu einem Fruchtkörper mit Sporen zu entwickeln, müssen alle Zelllinien möglichst wenig Mutationen anhäufen. Nur so können sie mit hoher Wahrscheinlichkeit auch nach vielen tausend Zellteilungen noch eine vielversprechende neue Generation von Pilzen hervorbringen. Betrachtet man freilich die Mutationsrate pro Pilz-Generation, dann erscheinen die Werte des Nelken-Schwindlings nicht mehr sonderlich hoch. Sie stimmen in etwa mit denen überein, die bereits von anderen Pilzen, Tieren und Pflanzen bekannt sind.

Quelle: F.A.Z.
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