Pressemitteilung/News

19.12.2016

Umweltsimulation: Pflanzengenome bei UV-Licht betrachtet

Arabidopsis thaliana in den Expositionskammern der Abteilung Umweltsimulation. Foto: HMGU

Pflanzen reagieren auf UV-Strahlung mit DNA-Schäden. Was genau passiert und welche Reparaturmechanismen ablaufen, berichten Wissenschaftler des Max Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung und des Helmholtz Zentrums München jetzt in Nature Communications.

Natürliche ultraviolette (UV)-Strahlung, speziell der kurzwellige und hochenergetische UV-B-Anteil zwischen 280 und 315 nm, verursacht Mutationen im Erbgut von Pflanzen. Bislang war zwar bekannt, dass erhöhte UV-Strahlung zu spontanen Mutationen im Genom der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana führen kann, aber nicht, wie häufig dies auftritt und wie diese Informationsänderung genau an Nachkommen weitergegeben wird.

Jetzt hat ein Team unter Leitung von Dr. Ales Pecinka vom Max Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln die Wirkung von UV-Strahlung auf Arabidopsis detailliert untersucht. An den Arbeiten waren Wissenschaftler der Abteilung Experimentelle Umweltsimulation (EUS) am Helmholtz Zentrum München beteiligt. Die Experimente fanden in den sogenannten Sonnensimulatoren* von EUS statt. „Weltweit einzigartig ist es nur bei uns möglich, das Sonnenspektrum vom UV- bis zum IR-Bereich nahezu identisch unter kontrollierten Bedingungen zu simulieren“, berichtet Dr. Andreas Albert, EUS.

 „Wir konnten zeigen, dass für die Reparatur von UV-B-induzierten DNA-Defekten in der Keimbahn, also sogenannten Cyclobutan-Pyrimidin-Dimeren (CPD), vor allem das Gen UVR2 (UV-B Resistance 2) notwendig ist. Bei den Pflanzen mit gestörter Bildung der UVR2 Photolyase, einem Enzym das CPDs wieder spaltet, kam es 15 mal häufiger zu Mutationen.“

Reparatur vor Ort

Dr. Jana Barbro Winkler ergänzt: „Unsere jetzt veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass die Wirkung dieser Photolyase während der späten Blütenbildung die Pflanzen vor der Weitergabe UV-B-induzierter Mutationen an ihre Nachkommen schützt“. Die Arbeit bewertet sie als „wichtigen Schritt, um aufzuklären, wie und wann DNA-Defekte bei Pflanzen repariert und somit Genveränderungen in  Tochtergenerationen vermieden werden können“. 

Weitere Informationen

Originalpublikation: Eva-Maria Willing et al. (2016), UVR2 ensures transgenerational genome stability under simulated natural UV-B in Arabidopsis thaliana, Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms13522

* Für Versuche, die hohe Licht- und UV-Strahlung benötigen, bieten die Sonnensimulatoren der Abteilung Experimentelle Umweltsimulation ideale Möglichkeiten. In den Expositionskammern können Bestrahlungsstärken wie sie typischerweise in Mittel- bis Südeuropa auftreten, von Meeresniveau bis Hochgebirge, simuliert werden. Mittels verschiedener Filtergläser lässt sich die Zusammensetzung und Intensität des auf die Erdoberfläche auftreffenden Sonnenlichts, im speziellen im Bereich der UV-Strahlung, in einem weiten Bereich einstellen. Die Anlagen werden neben photobiologischen Untersuchungen zur Erforschung der pflanzlichen Reaktion auf verschiedenste Umwelteinflüsse, der sogenannten Phänotypisierung eingesetzt.

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.

Die Abteilung Experimentelle Umweltsimulation (EUS) forscht im Bereich der Pflanzen-Mikroben-Interaktion und Pflanzenphänotypisierung und untersucht dabei unter anderem die biologischen und ökologischen Funktionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs). Als Forschungsplattform verfügt EUS über technisch exzellent ausgestattete Simulations- und Phänotypisierungsanlagen, die realistische und reproduzierbare Umweltbedingungen schaffen können. So können unter experimentellen Bedingungen die Auswirkungen von unterschiedlichen Umweltfaktoren auf Pflanzen in ihrer Interaktion mit anderen Organismen untersucht werden.

Das Max Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung  untersucht, ob und wie detailliertes, an Modellpflanzen gewonnenes Verständnis von molekularen Mechanismen zu gezielten Merkmalsveränderungen von Nutzpflanzen eingesetzt werden kann.