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News: Kleine Moleküle bringen Pflanzen in Form

Bei ihren Untersuchungen an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) konnten Forscher erstmals nachweisen, dass winzige RNA-Moleküle, so genannte Micro-RNAs, die Entwicklung einer Pflanze durch den kontrollierten Abbau von wesentlich längeren Boten-RNAs regulieren.
Seit der Entdeckung der DNA-Doppelhelix vor 50 Jahren haben sich Biologen hauptsächlich um die DNA und ihren Einfluss auf die Regulation der Gene gekümmert. Erst im letzten Jahr wurde klar, welch bedeutende Rolle auch Micro-RNAs dabei spielen, die Aktivitäten von Genen unter Kontrolle zu halten. Vor weniger als einem Jahr entdeckten mehrere Wissenschaftlergruppen, dass auch Pflanzen eine Vielzahl dieser winzigen RNAs enthalten, die ihrerseits selbst Produkte größerer RNAs sind. "Da Pflanzen, die nicht genügend Micro-RNAs produzieren, nur schlecht wachsen, wussten wir, dass wir auf etwas ziemlich Wichtiges gestoßen waren. Doch die exakten Ursachen für die vielen Defekte, die wir sahen, konnten wir noch nicht ermitteln," berichtet Jim Carrington von der Oregon State University.

Micro-RNAs funktionieren wie ein digitales Radar, das die Boten-RNA (mRNA) von ganz bestimmten Zielgenen auffindet. Die Boten-RNA, die eigentlich das kritische Molekül bei der genetischen Informationsübertragung ist, wird dann durch molekulare Prozesse, die von der Micro-RNA ausgelöst werden, entweder abgebaut oder aber deaktiviert. "Das Abschalten spezifischer Gene ist in Pflanzen sehr wichtig, zum Beispiel um abartige Pflanzenentwicklungen zu verhindern, genauso wie es Krebswachstum in Tieren verhindert", erklärt Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen.

Gemeinsam haben Weigel und Carrington deshalb das genaue Zusammenspiel einer ganz bestimmten Micro-RNA, die sie "Jaw" genannt haben, und ihrer Zielgene analysiert. "Wir hatten schon seit ein paar Jahren eine Arabidopsis-Mutante, die eine größere RNA mit uns unbekannter Funktion im Übermaß produzierte. Überraschenderweise schien diese RNA nicht für ein Protein zu codieren, wie es die meisten RNAs tun. Als wir dann letztes Jahr Carringtons Artikel über Micro-RNAs lasen, wurde uns plötzlich klar, dass diese RNA nicht in ein Protein übersetzt, sondern in Micro-RNAs geschnitten wird", so Weigel.

Mit Hilfe von DNA-Chips entdeckten Weigel und Carrington, dass die Jaw-Micro-RNA spezifisch den Abbau einer Gruppe von mehreren TCP-Boten-RNAs koordiniert. Die TCP-Gene wiederum werden benötigt, um eine übermäßige Zellteilung in den Blättern zu verhindern. Ohne diese Gene gibt es zu viele Zellteilungen und die Blätter verziehen sich, anstatt flach zu bleiben. Genau so sahen die Pflanzen aus, die zu viel Jaw-Micro-RNA enthielten. Als nächsten Schritt veränderten die Wissenschaftler dann die TCP-Gene derart, dass ihre Boten-RNAs nicht mehr von "Jaw" erkannt werden konnten. Pflanzen, die diese veränderten TCP-Gene enthielten, kamen über das Keimlingsstadium nicht mehr hinaus. Damit war bewiesen, dass das Auffinden von TCP-Boten-RNAs durch Jaw-Micro-RNAs unerlässlich für die normale Pflanzenentwicklung ist.

Die Forscher haben sowohl die Jaw-Micro-RNA als auch ihre TCP-Zielgene in allen bis jetzt getesteten Blütenpflanzen gefunden, einschließlich Getreidepflanzen. "Daraus schließen wir, dass diese Kontrolle der Blattform nicht nur in Arabidopsis genutzt wird, unserem Lieblingsobjekt im Labor, sondern auch in Pflanzen mit landwirtschaftlicher Bedeutung, wie Mais oder Sojabohne", sagt Weigel.

Je mehr Micro-RNAs entdeckt werden und je besser man ihre konkrete Rolle beim Pflanzenwachstum versteht, desto mehr Möglichkeiten könnten sich ergeben, um mit diesem Wissen auch effizientere und produktivere Pflanzen zu züchten. "Wir werden wahrscheinlich bald herausfinden, dass Micro-RNAs viele Prozesse der Pflanzenentwicklung kontrollieren, wie das Blühen, das Wurzelwachstum oder die Samenbildung", meint Carrington. Weigel stimmt dem zu: "Tatsächlich haben wir in neueren Untersuchungen bereits herausgefunden, dass andere Micro-RNAs und deren Zielgene zum Beispiel eine wichtige Rolle dabei spielen, zu welchem Zeitpunkt Pflanzen blühen. Die potentielle Auswirkung dieser Befunde könnte beträchtlich sein, da dies völlig neue Wege bietet, um Pflanzen letztlich an ihre Umwelt besser anzupassen."

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