Korrelation von plastidärer Genexpression und Albinismus

Die in vitro Regeneration von dihaploiden Pflanzen aus unreifen Pollen (Mikrosporen) ermöglicht die Produktion vollständig homozygoter Pflanzen innerhalb einer einzigen Generation. Diese Methode kann einerseits den Zeitbedarf von Züchtungsprogrammen deutlich reduzieren, ist andererseits aber auch ein wichtiges Hilfsmittel in der Grundlagenforschung bei der Untersuchung von Pollenentwicklung und Embryogenese. Bei Gräsern wird allerdings die Mikrosporen-embryogenese oft durch das Auftreten von pigmentfreien (Albino-) Pflanzen gestört, die keine Photosynthese bewerkstelligen können. Aufgrund früherer Arbeiten wurde der Albino-Phänotyp als Resultat von Mutationen und Umbauten im Plastidengenom angesehen. Wir konnten im vorangegangenen Projekt zeigen, daß Umbauten im Plastidengenom nicht als primäre Ursache für das Auftreten von Albinopflanzen in Frage kommen. Vielmehr zeichnen sich Albinopflanzen unabhängig von Veränderungen im Plastidengenom durch ein verändertes Transkriptionsmuster plastidärer Gene und eine totale Defizienz plastidärer Translation aus. Die molekularen Ursachen für die Ausbildung von Albinopflanzen muß daher in der Regulation von Transkription und Translation zu finden sein. Das Auftreten von Deletionen und Umbauten im Plastidengenom könnte sekundär als Folge der Translationsdefizienz interpretiert werden. Als Weiterführung dieser Erkenntnisse schlagen wir vor, im gegenständlichen Forschungsprojekt folgende Fragen zu bearbeiten: Zu welchem Zeitpunkt wird die Plastidenentwicklung in Albinopflanzen blockiert? Was ist die molekulare Ursache für die generelle Tranisationsdefizienz in Plastiden von Albinopflanzen? Bewirken spezielle Bereiche im Plastidengenom von Gräsern eine Instabilität des Plastidengenoms während in vitro Bedingungen? Was sind die Ursachen für Rekombinations-ereignisse, die in Albinopflanzen zu Deletionen im Plastidengenom führen? Besteht eine Verbindung zwischen genereller Translationsdefizienz und dem Auftreten von Deletionen im Plastidengenom? Kommt es zu einer Translationsdefizienz bereits während der Pollen-entwicklung? Inwieweit spielt das Kerngenom bei der Entstehung von Albinopflanzen eine Rolle (Translationsdefizienz, instabiles Plastidengenom)? Antworten auf diese Fragen können mit dazu beitragen, die Methoden der Dihaploidenproduktion bei Gräsern zu verbessern. Außerdem werden die Ergebnisse dieser Untersuchungen zu einem besseren Verständnis fundamentaler Mechanismen in Plastiden wie Regulation der Chloroplastenentwicklung, Interaktion zwischen Plastiden- und Kerngenom, der Rolle bislang nicht identifizierter ORFs im Plastidengenom sowie der Regulation von Genexpression in Plastiden führen.

Bei der Produktion von doppelt haploiden Pflanzen treten in Getreidearten oft chlorophyll-defekte (Albino) Pflanzen auf. Häufig sind die Chloroplasten dieser Pflanzen durch umfangreiche Deletionen funktionslos und Photosynthese daher nicht möglich. Berichten zufolge, hat ein hypothetisches Chloroplastengen des Tabaks Ähnlichkeit mit einem Bakteriengen, das bei DNA Reparaturen, Rekombination und Replikation eine stabilisierende Rolle spielt. Daraus kann man schließen, dass dieses ycf1 Gen eine ähnliche Funktion in Chloroplasten hat. Dagegen wurde in Getreide nur funktionslose ycf1 Gene (Pseudogene) gefunden. Um festzustellen ob diese Pseudogene einen Einfluss auf die Bildung der Albinopflanzen haben, wurde das Tabakgen gegen ein Reis Pseudogen ausgetauscht. Zusätzlich wurde das Tabakgen auch gegen ein Markergen ersetzt, um Informationen über die Funktion des Gens zu erhalten. Pflanzen die nur das Markergen oder ein Pseudogen, dessen Transkription blockiert wurde, enthielten, zeigten einen normalen Phänotyp. Allerdings zeigten molekulare Untersuchungen, das diese Pflanzen sowohl das normale ycf1 Gen als auch das Maker-/Pseudogen enthielten und daher ein möglicher Einfluss der eingefügten Gene überdeckt wurde. Weiters wurden Pflanzen mit einem transkribierbaren Pseudogen produziert. Trotzdem diese Pflanzen ebenfalls beide Gene, das normale und das Pseudogen enthielten, zeigten diese Pflanzen einen Phänotyp. Sie hatten gelblich-weiße/hellgrüne Blätter mit grünen Flecken, wuchsen extrem langsam und wurden nur halb so groß wie normale Tabakpflanzen. Gelblich-weiße Blattsektoren bekamen bald Lessionen, die im Weiteren zur Degradation des Blattgewebes führten. Allerdings konnten in diesen Pflanzen keine Chloroplasten mit Deletionen gefunden werden. Deshalb kann der Phänotyp nur auf das Transkript des Pseudogens zurückgeführt werden. Eine Interaktion zwischen den Transkripten des normalen Gens und des Pseudogens währe vorstellbar. Andererseits währe auch eine Translokation eines funktionierenden ycf1 Gens vom Chloroplasten in den Nukleus möglich - ein evolutionärer Vorgang, der noch nicht abgeschlossen ist. Molekulare und Bioinformatische Untersuchungen zeigten jedoch, dass es in Getreide keinen solchen Transfer gegeben hat, oder dass sie ein ycf1- ähnliches Gen verloren haben.