Charakteristische Merkmale von Pflanzen wie Inhaltsstoffe oder Blütenfarbe können durch höchst unterschiedliche Evolutionsgeschichten entstanden sein. Das zeigt eine internationale Studie zum orange blühenden Kalifornischen Mohn unter der Leitung von Forschenden der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU). Das Forschungsteam hat die Biosynthesen von Alkaloiden und Carotinoiden sowie von Blütenkontroll-Faktoren dieser Pflanze auf genetischer Ebene verglichen. Dabei analysierten die Forschenden erstmals ein Transkriptom, also die Gesamtheit aller durch das Übersetzen von DNA erstellten RNA-Transkripte. Ihre Ergebnisse sind nun im Fachmagazin „The Plant Cell“ erschienen. Die umfangreichen Transkriptom-Daten liefern eine wertvolle Ressource für zukünftige Evolutionsstudien sowie für die Suche nach pharmakologisch interessanten Wirkstoffen.
Extrakte der Blätter des Kalifornischen Mohns (Eschscholzia californica) werden wegen ihrer beruhigenden und schmerzstillenden Wirkungen genutzt und von den indigenen Völkern im Westen der USA für spirituelle Zwecke verwendet. Die Pflanze enthält mehr als 16 verschiedene Alkaloide etwa zur Schädlingsabwehr. „Unsere Studie belegt, dass die vielen in der Pflanze vorhandenen Benzylisochinolin-Alkaloide des Kalifornischen Mohns im Laufe der Evolution durch zahlreiche Genduplikationen entstanden sind“, sagt Le-Han Rössner aus der Arbeitsgruppe Entwicklungsbiologie der Pflanzen am Institut für Botanik der JLU und Co-Erstautorin der Studie. „Dies zeigen die Tandem-Kopien einzelner Gene.“ Die Alkaloid-Biosynthesegene bilden sogenannte phylogenetische Cluster: Gene mit ähnlicher DNA-Sequenz liegen räumlich nahe auf dem Chromosom beieinander, was auf eine zusammenhängende Funktion hinweist.
Die verschiedenen Benzylisochinolin-Alkaloide kommen in Blättern, Früchten, Spross und Wurzeln der Mohn-Pflanze in unterschiedlichen Konzentrationen vor. In ihrer Studie konnten die Forschenden mittels eines Expressions-Atlas erstmals zeigen, dass die Alkaloid-Genfamilien in den einzelnen Geweben tatsächlich unterschiedlich stark exprimiert werden, dort also unterschiedliche Mengen an Genprodukten wie RNA oder Proteine gebildet werden. „Erst durch die Transkriptom-Analyse und zusätzliche phylogenetische Analysen konnten die Co-Expression der verschiedenen Genfamilien und die gewebespezifische Expression der Gene für die Biosynthesewege belegt werden“, erklärt Clemens Rössner, Co-Erstautor der Studie.
Neben seinen Inhaltsstoffen besticht der Kalifornische Mohn durch seine spektakuläre Blüte. Carotinoide verleihen den Blüten ihre leuchtend orange Farbe. Die Samen der aus dem Südwesten der USA und Mexiko stammenden Wüstenpflanze können lange im Boden überdauern, bevor sie bei genügend Regen nach vielen Jahren alle gleichzeitig blühen. Dann formen sie riesige Blütenteppiche, die die NASA bereits aus dem Weltraum fotografiert hat.
Für die Carotinoid-Biosynthese sind – im Gegensatz zu den Biosynthesegenen für Alkaloide – erstaunlich wenige Gene im Kalifornischen Mohn zuständig. Die Studie zeigt: Während der Blütenentwicklung werden einige Carotinoid-Biosynthesegene extrem stark exprimiert. „Es hat uns sehr überrascht, dass eine Pflanze mit quietschorangen Blüten nicht mehr Carotinoid-Biosynthesegene braucht als beispielsweise die vollkommen unscheinbar blühende Acker-Schmalwand“, sagt Prof. Dr. Annette Becker vom Institut für Botanik der JLU. Ihre Arbeitsgruppe erforscht die Evolution von Blütenpflanzen und hat dazu beigetragen, dass sich der Kalifornische Mohn jüngst zu einer Modellpflanze in der Evolutionsforschung entwickelte.
Die in dieser Studie ebenfalls analysierten Blütenentwicklungs-Kontroll-Gene sind – wie die Carotinoide – auf nur wenige Genfamilien verteilt und weisen nur wenige Gen-Duplikationen auf. Sie sind hochkonserviert und weisen kaum Variationen auf.
Mit den nun vorliegenden umfangreichen Transkriptom-Daten liefern die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur der Evolutionsforschung eine wichtige Grundlage. „Unsere Daten zeigen, dass die Mehrzahl der Biosynthesegene für die Benzylisochinolin-Alkaloide artspezifisch ist“, so Prof. Becker. „Somit gibt es ein sehr großes Potenzial, neue pharmakologische Wirkstoffe in den vielen weniger bekannten und nicht genutzten Vertretern der Mohnfamilie zu finden.“ Die Forschenden hatten in ihrer Studie auch Vergleiche mit den Genen des nah verwandten Schlafmohns durchgeführt.
Universität Gießen
Originalpublikation:
Le-Han Rössner, Clemens Rössner et al., (2026) Gene and genome duplications have contrasting impacts on biosynthetic and flower developmental pathways in California poppy. The Plant Cell. https://doi.org/10.1093/plcell/koag039
