Fortpflanzung ohne Sex

Humboldt-Stipendiatin Dr. Xixi Zheng untersucht Parthenogenese bei Pflanzen

22. Juli 2022

Die Alexander von Humboldt-Stiftung hat der Pflanzengenetikerin Dr. Xixi Zheng ein zunächst zweijähriges Forschungsstipendium für ihre Untersuchungen zur Parthenogenese bei Getreide verliehen. Das Forschungsvorhaben der Wissenschaflerin, die früher am Center for Excellence in Molecular Plant Sciences an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai forschte, wird am Lehrstuhl für Zellbiologie und Pflanzenbiochemie der Universität Regensburg in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Thomas Dresselhaus durchgeführt.

„Im Rahmen dieser Auszeichnung möchte Frau Dr. Zheng bei uns an der Universität Regensburg die molekularen Mechanismen der Parthenogenese bei der eng mit Mais-verwandten Getreideart Östliches Gamagras untersuchen“, erläutert Zellbiologe Professor Dr. Thomas Dresselhaus. „Parthenogenese kommt bei vielen Wildpflanzen, etwa dem Löwenzahn vor, aber nicht bei unseren wichtigsten Nutzpflanzen. Die Entdeckung von Parthenogenese-Genen hat dabei sehr hohes Anwendungspotential in der Pflanzenzüchtung und Landwirtschaft durch die Erzeugung haploider Linien und klonaler Samen.“

Dr. Xixi Zheng beim Bestäuben von Maispflanzen im Gewächshaus. Foto: Thomas Dresselhaus/UR

Parthenogenese, was so viel wie "Jungfernzeugung“ bedeutet, ist eine Schlüsselkomponente von Apomixis (ungeschlechtliche Vermehrung durch Samen) und beschreibt die spontane Embryoentwicklung aus einer unbefruchteten Eizelle. Durch Apomixis entstehen Nachkommen, die genetisch mit der Mutterpflanze identisch sind. Alle agronomisch wichtigen Getreidearten – etwa Mais, Weizen, Gerste oder Reis - zeigen weder Parthenogenese noch Apomixis und erzeugen Samen, die das Erbmaterial beider Eltern enthalten und entsprechend inhomogene Nachkommen erzeugen. Das ist in der Pflanzenzüchtung unerwünscht. Homogenes Saatgut wird für die Landwirtschaft und den Gartenanbau nach aufwendigen Züchtungs- und Kreuzungsverfahren hergestellt, wobei allein die Herstellung homogener Elternsorten etwa 12 Jahre dauert.

„Aus haploiden parthenogenetischen Linien können in einem Schritt 100 Prozent diploide homogene Linien für die Pflanzenzüchtung und die Saatgutherstellung erzeugt werden,“ erklärt Dr. Xixi Zheng. „Ich möchte dieses Problem jetzt lösen, indem ich zunächst versuche, die molekularen Grundlagen der Parthenogenese bei der wilden Getreidepflanze Östliches Gamagras (Tripsacum dactyloides) zu verstehen und anschließend entsprechende Gene in Mais und anderen Nutzgräsern so umzuprogrammieren, dass diese ebenfalls in die Lage versetzt werden, Embryonen ohne Befruchtung durch Jungfernzeugung zu erzeugen.“

Östliches Gamagras, ein naher Verwandter von Mais. Viele Linien erzeugen Embryonen ohne Befruchtung durch Parthenogenese. Links weibliche Blüten mit Nabenfäden, rechts männliche Blüten, die Pollen (gelb) produzieren. Foto: Thomas Dresselhaus/UR

Aufgrund der engen evolutionären Verwandtschaft zwischen Gamagras und Mais können aus beiden Pflanzenarten die Genexpressionsmuster sexueller und parthenogenetischer Eizellen verglichen werden, um Gene zu identifizieren, die in der Lage sind, Parthenogenese zu induzieren bzw. in sexuellen Eizellen zu unterdrücken. „Das gastgebende Labor an der Universität Regensburg zählt weltweit zu den führenden Arbeitsgruppen im Bereich der Erforschung pflanzlicher Reproduktionsvorgänge und zu den wenigen Laboren, die in der Lage sind, Eizellen zu isolieren,“ freut sich die Gastwissenschaftlerin. „Mit Mais als Modellsystem bin ich recht gut vertraut, nachdem ich sechs Jahre lang im Bereich der Nährstoffallokation von Maissamen geforscht habe.“ Die Erforschung der frühen Prozesse der Samenbildung und die Aussicht, das geschaffene Wissen über Parthenogenese auf landwirtschaftlich wichtige Nutzgräser übertragen zu können, beschreibt sie als „absolut neues und aufregendes Abenteuer“: „Und Regensburg ist dafür genau der richtige Ort.“

Das Humboldt-Forschungsstipendium bietet der Forscherin jetzt die Möglichkeit, selbständig und unabhängig an einem auch landwirtschaftlich relevanten Projekt zu arbeiten und in Regensburg mit führenden Wissenschaftler:innen auf dem Gebiet der Maisforschung und Fortpflanzungsbiologie zusammenzuarbeiten. Die hier gesammelte Forschungserfahrung werde definitiv zu ihrer künftigen Forschungskarriere beitragen - dessen ist Xixi Zheng sicher.