Bei den meisten Pflanzen und Tieren, auch bei Menschen, werden Mitochondrien ausschließlich oder fast ausschließlich von der Mutter vererbt. Eine väterliche Übertragung wird dagegen nur sehr selten beobachtet. Die Mechanismen hinter diesem Phänomen sind weitgehend unbekannt. In einer heute veröffentlichten Studie konnten Forscher des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) die gelegentliche väterliche Mitochondrienvererbung in Tabakpflanzen direkt nachweisen. Mit einem eigens dafür entwickelten genetischen Testsystem konnten sie zeigen, dass die väterliche Vererbung häufiger auftritt, als bisher angenommen, und sich unter bestimmten Bedingungen sogar noch weiter verstärken kann. Die väterliche Vererbung kann Wachstum und die Fruchtbarkeit retten, wenn die Funktion der mütterlichen Mitochondrien beeinträchtigt ist.
Gekräuselte Blüten verraten, wessen Mitochondrien vererbt wurden
Um die Vererbung der Mitochondrien verfolgen zu können, nutzte das Team genetisch veränderte Tabakpflanzen mit einem Defekt im Mitochondriengenom, der visuell leicht erkennbare Wachstumsdefekte verursacht. Diese Pflanzen wuchsen langsamer, entwickelten gekräuselte Blätter und faltige Blüten und produzierten sterilen Pollen, während ihre weiblichen Fortpflanzungsorgane funktionsfähig blieben. Diese Blüten wurden dann mit Pollen von Pflanzen befruchtet, die gesunde Mitochondrien besaßen. Während die meisten Nachkommen ausschließlich mütterliche Mitochondrien trugen und die erwarteten Wachstumsdefekte aufwiesen, konnten Pflanzen mit väterlichen Mitochondrien anhand ihrer normalen Wachstumseigenschaften leicht identifiziert werden. Molekulare Analysen und modernste Mikroskopietechniken bestätigten das Vorhandensein väterlicher Mitochondrien und offenbarten das Schicksal der Mitochondrien und ihrer Genome während der Pollenentwicklung.
Die Forscher stellten fest, dass väterliche Mitochondrien unter normalen Bedingungen mit einer Häufigkeit von etwa 0,18 % vererbt werden. Dieser Anteil stieg jedoch auf über 7 %, wenn zwei Faktoren zusammenkamen: die Inaktivierung eines Enzyms, das mitochondriale DNA abbaut, und niedrige Temperaturen während der Pollenentwicklung. Unter diesen Bedingungen gelangen die väterlichen Mitochondrien leicht in die Spermien und behalten ihr Genom, wodurch ihre Vererbung an die Nachkommen ermöglicht wird. Bemerkenswert ist, dass bereits wenige väterliche Mitochondrien die normale Entwicklung und Fruchtbarkeit von Pflanzen wiederherstellten, die ansonsten defekte Mitochondrien von ihrer Mutter geerbt hatten.
Die Ergebnisse stellen auch die gängige Annahme in Frage, dass mitochondriale Genome als streng „asexuelle” genetische Systeme funktionieren. Wenn sich Mitochondrien beider Elternteile gelegentlich vermischen, können sie genetisches Material austauschen (durch sogenannte Rekombination) und neue Typen von Mitochondriengenomen erzeugen. Diese Entdeckung eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung, insbesondere im Hinblick auf die sogenannte zytoplasmatische männliche Sterilität. Dabei handelt es sich um ein Merkmal, das im mitochondrialen Genom codiert ist und zur Produktion von Hybridsaatgut für ertragreiche Pflanzensorten verwendet wird.
„Wenn wir die Vererbung von Mitochondrien gezielt steuern können, gibt uns das ein neues, leistungsstarkes Werkzeug für die Pflanzenzüchtung”, sagt Professor Ralph Bock, Direktor am MPI-MP und Mitautor der Studie. „Indem wir die Übertragung von Mitochondrien mit dem Pollen ermöglichen, können wir neue mitochondriale Genome erzeugen, die die Stresstoleranz verbessern, die Fruchtbarkeit wiederherstellen und zur Entwicklung von Nutzpflanzen beitragen, die besser für zukünftige Klimabedingungen geeignet sind.“
Darüber hinaus ermöglicht die gezielte Veränderung der mitochondrialen Vererbung direkte Vergleiche zwischen mütterlicher und väterlicher Übertragung. Damit bringt die Studie die Wissenschaft der Lösung eines der großen Rätsel der Evolution näher: Warum werden Mitochondrien sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen überwiegend mütterlich vererbt? „Diese Entdeckung gibt uns ein neues Werkzeug an die Hand, um bessere und widerstandsfähigere Nutzpflanzen zu entwickeln, und eines Tages könnte sie vielleicht erklären, warum wir unsere Mitochondrien nur von unseren Müttern erhalten“, sagt Erstautor Enrique Gonzalez-Duran.
Neue Fragen stellen sich
Selbst unter den günstigsten Bedingungen, die von den Forschern identifiziert wurden, finden sich väterliche Mitochondrien immer noch nur in einem relativ kleinen Teil der Nachkommen, was darauf hindeutet, dass es zusätzliche Mechanismen gibt, die die mütterliche Vererbung fördern und die noch entdeckt werden müssen.
Die Studie eröffnet somit neue Wege für die Erforschung der mitochondrialen Vererbung und könnte langfristig zur Entwicklung widerstandsfähiger, klimaangepasster Nutzpflanzen beitragen.
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Originalpublikation:
Gonzalez-Duran, E., Liang, Z., Forner, J. et al. High-frequency biparental inheritance of plant mitochondria upon chilling stress and loss of a genome-degrading nuclease. Nat. Plants (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-026-02242-7
