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Wenn Gene in die Oper gehen

Das IPK Leibniz-Institut ist einer der Partner in der neuen Forschungsgruppe „Stammzellsysteme bei Getreide“ (CSCS), deren Einrichtung die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im September 2021 beschlossen hat. Beteiligt sind an dem Verbund neben dem IPK die Universitäten in Regensburg, Bonn, Düsseldorf, Hamburg, Heidelberg und Tübingen. Im Interview erläutert Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, Leiter der unabhängigen Arbeitsgruppe „Pflanzliche Baupläne“ am IPK, welche Ziele verfolgt werden, welchen Schwerpunkt er setzen möchte und was Genregulationsnetzwerke mit einem Opern-Orchester zu tun haben.

IPK/ Andreas Bähring
Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch

Beim Thema Stammzellen denken die meisten sofort an menschliche Stammzellen und die damit verbundenen ethischen Diskussionen, aber auch an neue Chancen zur Heilung zahlreicher Krankheiten. Welche Hoffnungen verbindest Du mit Stammzellen bei Pflanzen?

Ich verbinde mit der Erforschung pflanzlicher Stammzellen die Hoffnung, dass wir ertragsbildendende Organe wie zum Beispiel Getreideähren in einem ersten Schritt besser verstehen lernen, um dann in einem zweiten Schritt auch Ernte-Erträge nachhaltig steigern zu können. Und ich bin überzeugt, dass eine nachhaltige Produktionssteigerung unter den derzeitigen, vor allem aber auch den künftig noch zu erwartenden Verhältnissen, zwingend erforderlich ist. Die Herausforderungen sind dabei enorm: eine begrenzte landwirtschaftlich nutzbare Fläche, steigende Temperaturen, Ökologisierung, aber auch Intensivierung der Landwirtschaft - um nur einige zu nennen.

Wie unterscheiden sich menschliche und pflanzliche Stammzellen und was sind Gemeinsamkeiten?

Gemeinsam haben sie ihre Undifferenziertheit und das Potenzial, alle Gewebe des Organismus zu bilden. Im Gegensatz zu tierischen Stammzellen besitzen pflanzliche Stammzellen aber Zellwände, die sie umgeben und in Form halten. Hinzu kommen Plastiden, also Vorläuferstufen der sogenannten Chloroplasten, die Zellen die Fotosynthese ermöglichen. Pflanzen nutzen Stammzellenreservoirs in ihren Meristemen, um ihr ober- und unterirdisches Wachstum anzutreiben. Meristeme enthalten nicht nur den pflanzlichen Bauplan, sondern bestimmen bei Nutzpflanzen auch ganz wesentlich Produktivität und Ertrag.

Das heißt, Meristeme sind ein entscheidender Ansatzpunkt dafür, auch künftig die wachsende Weltbevölkerung möglichst gut ernähren zu können?

Ja, das kann man so sagen. Die gesamte pflanzliche Produktion - sei es bei Kartoffelknollen, Blattsalat oder Getreidekörnern - lässt sich auf meristematische Aktivitäten zurückführen.

Am Anfang der Entwicklung stehen Pollen und Eizelle. Ab welchem Zeitpunkt der pflanzlichen Entwicklung spricht man eigentlich von Stammzellen, und wo bilden diese sich bei Pflanzen?

Jeder Same oder jedes Korn enthält embryonales Gewebe, oder einen Embryo, aus dem die neue Generation Pflanze - der Keimling - entsteht. Der Embryo enthält bereits die zwei grundlegenden Stammzelltypen zum Aufbau der Wurzel (Wurzelstammzellen) und des Sprosses.

Was ist der aktuelle Stand der Forschung im Bereich Stammzellen und Getreide?

Die Genregulationsnetzwerke in Meristemen der Modellpflanze Arabidopsis sind bereits recht gut erforscht. Anders ist die Situation bei Getreide. Die Meristeme von Gerste, Weizen, Mais und Reis sind sehr komplex und bislang nur wenig erforscht. Unser Verständnis über die Entwicklung und Organisation der Meristeme und entsprechenden Stammzellsysteme ist daher noch sehr limitiert. Deshalb wollen wir jetzt im Verbund die Signal- und Genregulationsnetzwerke in den Meristemen verschiedener Getreide genauer untersuchen.

Signal- und Genregulationsnetzwerke - das klingt recht abstrakt. Wie aber funktioniert ein solches Netzwerk? Und welche Elemente spielen dabei eine Rolle und welche Funktion haben sie jeweils?

Man kann sich das wie ein großes Orchester bei einer Oper vorstellen. Jedes Instrument hat seinen Part in unterschiedlichen Stücken im Verlauf der Aufführung. Das sind vielleicht 20-30 Instrumente, gespielt von 100 Musikern, fein aufeinander abgestimmt, von einem Dirigenten geleitet. Und jedes Instrument leistet seinen Beitrag für das Gesamtkunstwerk.

Bei Signal- und Genregulationsnetzwerken ist das ähnlich, nur eben noch viel komplizierter. Hier müssen hunderte bis tausende Gene (Instrumente und Musiker) gleichzeitig koordiniert werden. Sogenannte Transkriptionsfaktoren (Dirigenten) geben den Takt vor und beeinflussen den Einsatz oder das Abschalten von Genen. Man könnte die Signal- oder Genregulationsnetzwerke auch als Gesamtkunstwerke auf zellulärer Ebene bezeichnen. Die Summe aller gleichzeitig ablaufenden Prozesse ist auch bei Modellpflanzen wie Arabidopsis nicht bekannt. Bei Getreide wissen wir noch viel weniger, dort stehen wir ganz am Anfang. Aber das macht es gleichzeitig ja auch so spannend und bietet viele Möglichkeiten, um Neues zu entdecken.

Welches Ziel verfolgen die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der neuen Forschungsgruppe und wie geht Ihr vor?

Wir hoffen, bei unseren Arbeiten neue Stammzellgene zu entdecken, die zur Ertragsverbesserung von Nutzpflanzen verwendet werden können. Wir denken, dass die Wahrscheinlichkeit hoch ist, neue Regulationen bei verschiedenen Grasfamilien (Mais, Gerste, Brachypodium) zu finden, einfach schon aus dem Grund, dass die zugrunde liegenden Blütenstände der Gräser sehr unterschiedlich aussehen. Unterschiedliche Formgebungen sind in der Regel mit unterschiedlichen Genregulationsnetzwerken gekoppelt.

Grundsätzlich verfolgen wir genetische Ansätze, wobei zum Beispiel die Funktionen von bekannten Proteinfamilien aus Arabidopsis in Getreide getestet werden soll. Damit stellen sich gleich mehrere Fragen: In welchen Zellen des Meristems oder der Stammzellen werden diese Gene exprimiert? Wie sehen Blütenstände von Mutanten aus? Oder inwieweit interagieren verschiedene Proteine bei der Entwicklung des Blütenstands?

Du möchtest Dich mit Deinen Kolleginnen und Kollegen vor allem mit Gerste beschäftigen, seit Jahren das Modellsystem für Getreide am IPK. Inwieweit könnt Ihr dabei auf die bisher geleisteten Arbeiten zurückgreifen, etwa die Charakterisierung von 22.000 Mustern aus der Genbank?

Grundsätzlich muss man sagen, dass meine Kolleginnen und Kollegen am IPK exzellente Vorarbeiten geleistet haben! Die dabei entstandenen sogenannten Core-Kollektionen sind für unsere Arbeiten besonders relevant, weil sie es uns ermöglichen, für jedes dieser Stammzellgene die entsprechende Sequenzvariation abzurufen. Dadurch können wir unter anderem abschätzen oder herausfinden, welche Proteinregionen bestimmte Eigenschaften oder Phänotypen zu zuordnen sind. Dies können Varianten (Allele) sein, die wiederum für die Pflanzenzüchtung sehr wertvoll sind. Mittlerweile ist es eben eine echte Genbank, nicht nur eine Samenbank wie vor 5-10 Jahren.

Du leitest am Institut die Arbeitsgruppe „Pflanzliche Baupläne“. Stammzellen und Architektur der Pflanze hängen ja vermutlich sehr eng zusammen. Wie können sich Eure bisherige Arbeit und die Forschungen des neuen DFG-Verbundes ergänzen und befruchten?

Ja, das ist richtig! Stammzellen beeinflussen die Pflanzenarchitektur fundamental. Am IPK wird im Rahmen des neuen Verbunds an einer Familie von Transkriptionsfaktoren gearbeitet, die in der Modelpflanze Arabidopsis bereits als Stammzellenmarker identifiziert wurden. Nun geht es uns darum, die Funktionen dieser Proteine in Gerste zu beschreiben und zu testen, welche der Proteine bei Gerste die Erhaltung der Stammzellen steuern.

Und die Vorteile des Verbundes?

Im Verbund können wir einfach viel schneller vorankommen, zumal hier wirklich Leute zum ersten Mal zusammenkommen, die sich mit dem Thema schon jahrelang beschäftigen. Einige Kolleginnen und Kollegen haben vorher etwa zell- und entwicklungsbiologisch mit der Modelpflanze Arabidopsis gearbeitet und wollen jetzt ihre Erfahrungen und Wissen in Kulturpflanzen (Getreide) einbringen und übertragen. Das ist toll für Leute wie mich, die in dieser Hinsicht viel weniger wissen. Andererseits arbeite ich schon meine ganze wissenschaftliche Karriere mit Weizen/Gerste, so dass ich viel mehr über Getreide weiß als sie. Wenn wir uns also zusammenschließen und uns gegenseitig aushelfen, ist es eine Win-Win-Situation für alle Beteiligten. Und am Ende sollten wir viel schneller, viel mehr über Stammzellen bei Getreide wissen, als wenn jeder das für sich alleine erforschen würde.

Inwieweit sind Erkenntnisse zur Gerste dabei auf andere Getreidearten übertragbar?

Da bin ich zuversichtlich und denke, dass sich unsere Erkenntnisse bei Gerste, mit leichten Abwandlungen, durchaus auf Weizen oder Roggen übertragen lassen werden.

Welche Möglichkeiten siehst Du für einen Austausch mit anderen Fachrichtungen außerhalb der Pflanzenforschung? In der Leibniz-Gemeinschaft gibt es ja das Forschungsnetzwerk Stammzellen und Organoide. Welche Kooperationsmöglichkeiten können sich da ergeben?

Das Leibniz Forschungsnetzwerk Stammzellen ist ja ein Zusammenschluss von Leuten, die sich v.a. mit tierischer Stammzellforschung beschäftigen. Im Rahmen dieses Netzwerks könnte man auch nochmals darauf aufmerksam machen, dass auch Pflanzen Stammzellen besitzen, und dass die Forschung daran ebenfalls zu unserem Gemeinwohl beiträgt, Wohlstand erhält und unsere Ernährung sichert.

Auf welchen Zeitraum ist das Projekt angelegt und wann hofft Ihr auf erste Ergebnisse?

Das Projekt ist auf zwei Mal vier Jahre angelegt und wird in den kommenden vier Jahren zunächst mit insgesamt fast vier Millionen Euro gefördert. Erste Ergebnisse erwarten wir nach drei bis vier Jahren und zwar bei jedem der zehn geförderten Projekte.

Welche Bedeutung hat es für Dich und das IPK, einer der Partner in der neu gegründeten Forschungsgruppe der DFG zu sein?

Ich denke, dass der Verbund einmalig ist, weil wir in Deutschland zurzeit eine überproportional hohe Anzahl an exzellenten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern haben, die sich mit diesem Thema beschäftigen. Deshalb erwarte ich auch eine internationale Strahlkraft des Projektes. Die wiederum wird helfen, die Ergebnisse bekannt zu machen und zu verbreiten. Davon profitiert dann sicherlich auch das IPK als Wissenschaftsstandort für Kulturpflanzenforschung.

Für mich persönlich erwarte ich eine spannende Zeit der Entdeckungen, fruchtvolle Kooperationen, aber auch die Verbesserung meines Wissens zur Zell- und Entwicklungsbiologie. Und das ist sicher auch notwendig, denn eigentlich ich bin von Hause her eher ein Pflanzengenetiker mit Interesse an entwicklungsbiologischen Fragestellungen. Es gibt also noch viel Luft nach oben, besser zu werden.