Sehr dynamisch: Mais-Erbgut fasziniert Forscher

Er hat mehr Gene als der Mensch und viele davon können hüpfen: Forscher haben nun das Erbgut des Mais vollständig entziffert und sind erstaunt von seiner Dynamik. Es könnte erklären, warum Mais so enorm vielseitig und anpassungsfähig ist.

Mais: Blick in ein kompliziertes Erbgut Fotos
Science / AAAS

Mais ist eine der ältesten und wichtigsten Kulturpflanzen der Erde. Jetzt hat ein internationales Team von Wissenschaftlern sein kompliziertes Erbgut entziffert. Aus der Erbinformation könnten nun Rückschlüsse auf die Entstehung moderner Maissorten gezogen werden, berichten Wissenschaftler um Richard Wilson von der Washington University in St. Louis (US-Staat Missouri) in mehreren Veröffentlichungen zeitgleich in den Fachjournalen "Science" und "Public Library of Science Genetics". Zudem werde es leichter, neue Sorten zu züchten - etwa solche mit höherem Nährstoffgehalt oder geringerem Düngerbedarf, oder solche, die besser an veränderte Klimabedingungen angepasst sind.

Mais wird seit rund 10.000 Jahren vom Menschen angebaut. Der Ursprung des Getreides ist das mittelamerikanische Teosinte-Gras. Wilsons Forscherteam entzifferte das Genom der Maislinie B73. Das Erbgut bestehe aus 2,3 Milliarden Basenpaaren und enthalte mehr als 32.000 Gene. Damit zählt der Mais (wissenschaftlich Zea mays) zu den "Erbgutriesen" im Pflanzenreich. Zum Vergleich: Der Mensch hat rund drei Milliarden Basenpaare und nur 20.000 bis 25.000 Gene.

Die Wissenschaftler analysierten insgesamt 27 verschiedene Maissorten - und stießen auf enorme genetische Vielfalt: Mehrere Millionen DNA-Sequenzen identifizierten die Forscher, die in einer großen Bandbreite unter den Sorten auftraten. Die Durchmischung des Erbguts während der Reproduktion bewirkt die Vielfalt.

Das Interessante am Mais-Genom sei, dass es zu 85 Prozent aus "springenden Genen" bestehe, Transposons genannt. Nach Angaben der Forscher sind sie über das gesamte Genom verstreut und beeinflussen vor allem die Größe und Lage der Centromere. Dies sind die Einschnürungen auf den kurz vor einer Zellteilung stark verdichteten Chromosomen (bei menschlichen Chromosomen die Mitte der X-förmigen Chromosomenstruktur). Am Centromer heften sich die Spindelfäden der Zelle an, die den verdoppelten Chromosomensatz schließlich auf die beiden Tochterzellen verteilen.

Genom wurde im Laufe der Evolution immer größer

Wissenschaftler rätseln noch immer über die Funktion der Transposons. Während manche sie für genetische Parasiten halten, die von Viren abstammen und die andere Gene zerstören können, sehen andere Experten in ihnen einen wichtigen Motor der Evolution: Je nachdem, wo sich ein springendes Gen einbaue, könnten so neue Gene entstehen und neue Phänotypen hervorbringen.

Es war auch der Mais, an dem diese rätselhaften Gen-Elemente erstmals entdeckt wurden: Die Biologin Barbara McClintock wies sie 1948 nach, erst sehr viel später - im Jahr 1983 - erhielt sie dafür den Nobelpreis. Die Entdeckung war so revolutionär, dass ihre Erkenntnisse lange Zeit angezweifelt wurden.

Das Genom des Mais, so schreiben die Forscher in "Science" habe sich in seiner Evolution stark vergrößert: In 70 Millionen Jahren habe sich sein Erbgut mehrfach verdoppelt. Vor allem in den letzten drei Millionen Jahren hätten sich wiederholende Genabschnitte vervielfältigt und das Erbgut auf seine jetzige Größe von 2,3 Milliarden Basenpaaren gebracht.

Diese sich wiederholenden Genabschnitte würden wahrscheinlich zur enormen Vielseitigkeit im Erscheinungsbild und zu der hohen Anpassungsfähigkeit des Mais beitragen, spekulieren die Forscher.

Bei der Kultivierung hätten möglicherweise Gene eine große Rolle gespielt, die die Pflanzen toleranter gegenüber höheren Metallkonzentrationen im Boden machten, schreiben Forscher um Alfredo Herrera-Estrella vom CINVESTAV-Institut in Irapuato (Mexiko) in einem Begleitartikel (S. 1078). Sie hatten das B73-Genom mit dem Erbgut einer sehr ursprünglichen Maisart mit dem mexikanischen Namen Palomero Toluqueño verglichen.

Ein weiterer interessanter Mechanismus beeinflusst beim Mais seine Erscheinungsform: Die Gene, die von der männlichen Pflanze stammen, kontrollieren die Aktivität Tausender anderer Mais-Gene. Dieses Phänomen des Imprinting könnte erklären, warum Kreuzungen von Maissorten normalerweise Pflanzen hervorbringen, die größer und robuster sind als die Inzucht-Sorten.

lub/dpa

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