Ein Forscherteam am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) hat ein innovatives Verfahren zur Untersuchung der weiblichen Meiose in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana entwickelt. Diese Methode, die als FeM-ID (Female Meiotic cell IDentification) bezeichnet wird, stellt einen wichtigen Fortschritt in der Pflanzenbiologie dar, da sie es ermöglicht, die weiblichen meiotischen Zellen, die für die Bildung der Eizellen verantwortlich sind, detailliert zu analysieren. Bisher war es für Wissenschaftler eine Herausforderung, diese Zellen zu identifizieren und zu untersuchen, da sie in der Blüte nur in sehr geringer Anzahl vorhanden sind und sich optisch kaum von den umgebenden Zellen unterscheiden.
Im Rahmen der Meiose, einem speziellen Zellteilungsprozess, werden die Chromosomen der Eltern auf die Keimzellen verteilt, wobei die Anzahl der Chromosomen halbiert wird. Diese Rekombination ist entscheidend für die genetische Vielfalt in der Natur. In Arabidopsis thaliana zeigt sich jedoch ein bemerkenswerter Unterschied zwischen der männlichen und der weiblichen Meiose: Während in der männlichen Meiose häufig Rekombinationsereignisse an den Chromosomenenden stattfinden, sind diese in der weiblichen Meiose seltener und gleichmäßiger über die Chromosomen verteilt. Das Fehlen geeigneter Methoden, um die weiblichen meiotischen Zellen zu beobachten, führte dazu, dass sich die Forschung lange Zeit hauptsächlich auf die männliche Meiose konzentrierte.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam ein Markierungssystem, das es ermöglicht, die Meiozyten, also die meiotischen Zellen der Weibchen, innerhalb ihrer Umgebung zu identifizieren. Hierzu wurde ein Gen in die Pflanzen eingebaut, das das Enzym TurboID produziert. Dieses Enzym bindet an ein spezifisches Protein (ASY1) der Meiozyten und fügt Biotin an die Chromosomen und andere Bestandteile der Zelle an. Durch den Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen können diese Biotin-markierten Zellen sichtbar gemacht werden, wodurch die Meiozyten unter dem Mikroskop leuchten, während die anderen Zellen nicht sichtbar sind. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist, dass die Pflanzen das benötigte Biotin selbst synthetisieren, was den Prozess kostengünstig und effizient macht.
Dr. Chao Feng, der Erstautor der Studie, beschreibt die neue Methode als eine Art Mikroskop mit einem Suchlicht, das es den Forschern ermöglicht, die zuvor schwer auffindbaren meiotischen Zellen zu entdecken. Mit FeM-ID konnte das Team nachweisen, dass die weiblichen Keimzellen in Arabidopsis weniger Rekombinationsereignisse aufweisen als ihre männlichen Pendants. Dies bedeutet, dass die genetische Vielfalt der weiblichen Zellen geringer ist, was für die Pflanzenzüchtung von Bedeutung ist.
Dr. Stefan Heckmann, der Leiter der Arbeitsgruppe „Meiose“ am IPK, betont, dass die neue Methode eine wichtige Lücke in der Pflanzenforschung schließt. Sie eröffnet die Möglichkeit, vergleichende Studien zwischen männlichen und weiblichen Meiozyten durchzuführen, was einen bedeutenden Schritt zur umfassenden Erforschung der Meiose darstellt. Ein besseres Verständnis der Teilung der weiblichen Keimzellen könnte dazu beitragen, die Rekombination gezielt zu beeinflussen, was die Effizienz und Präzision in der Pflanzenzüchtung steigern würde.
Diese Erkenntnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern haben auch praktische Anwendungen in der Landwirtschaft. Durch die gezielte Züchtung neuer Sorten, die höhere Erträge und eine verbesserte Krankheitsresistenz aufweisen, könnte die Forschung einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel leisten.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift „The Plant Cell“ veröffentlicht, und die Forschenden hoffen, dass ihre Arbeit die Türen zu weiteren Untersuchungen im Bereich der weiblichen Meiose öffnet und letztlich zur Entwicklung leistungsfähigerer Pflanzen beiträgt.
