Indianermais: leuchtende Farbenpracht durch springende Gene

Das Erbgut von Pflanzen, Tieren, Menschen und Bakterien ist von Natur aus instabil und variabel. Seit gut 50 Jahren ist bekannt, dass das Erbgut vieler Pflanzen sogenannte springende Gene enthält, die ihre Position spontan innerhalb des Erbguts einer Zelle verändern und dadurch genetische Veränderungen auslösen können. Optisch gut erkennbar ist die Auswirkung von springenden Genen beispielsweise in Mais, wo einzelne Körner des Maiskolbens bunt gefärbt sind, weil Gene der Farbstoffsynthese durch springende Gene ein- oder ausgeschaltet wurden.

Ab Oktober schmücken die farbenprächtigen Kolben des Indianermaises wieder so manchen Fenstersims und viele Schaufenster und Marktstände. Rote und bräunliche Maiskörner reihen sich neben gelben, blaufarbene neben milchig weissen, glasige neben getrübten. Besonders faszinierend sind jene Körner, die selber gemustert sind, sei es gestreift oder gesprenkelt, mal der Länge nach halbiert, mal ohne erkennbare Symmetrie.

Mais, der Schlüssel zur Pflanzengenetik
Schon anfangs des 20. Jahrhunderts fiel den Forschenden die grosse Vielfalt von Mustern und Farben auf einem einzigen Maiskolben auf. Da diese Muster nicht nach dem klassischen Schema weitervererbt wurden, vermutete man, dass sie durch Mutationen Veränderungen an der Erbsubstanz des Maises, sogenannte Mutationen, während des Pflanzenwachstums entstanden. Je vielfältiger die Muster waren, desto häufiger mussten also Mutationen im Maiserbgut auftreten. Den entscheidenden Durchbruch erzielte die amerikanische Pflanzengenetikerin Barbara McClintock durch ihre 1947 und 1951fand um 1950 heraus, dass die hohe Mutationsrate durchveröffentlichen Untersuchungen an Maischromosomen und ihre Entdeckung von beweglichen DNSSequenzen Elemente in der DNA ausgelöst wurde. im Erbgut von Mais, für die sie 1983 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Sprang ein solches mobiles Element in das Gen, welches für die ursprünglich dunkle Farbe des Maiskorns verantwortlich war, färbte sich das Korn an dieser Stelle goldgelb. Sie konnte nachweisen, dass die Mutation im Pigmentlokus auf der Einfügung eines Transposons beruhte. Die ursprüngliche Farbe des Maiskorns ist ein tiefes violett-braun, die Bildung dieses Farbstoffs kann durch Insertion eines Transposons innerhalb der Gene, die für die Pigmentbildung verantwortlich sind, gestört werden. Dieas Resultat sind goldgelben Maiskolben, wie wir sie heute fast ausschliesslich kennen, sind also das Resultat von springenden Genen. Seitdem sind springende Gene im Erbgut jeder daraufhin genetisch untersuchten Pflanze, sowohl in gezüchteten wie in Wildtypen, nachgewiesen worden. Viele dieser Mutanten, mit Namen wie variegata, marmorata, maculata oder variabilisvon ihnen, sind wegen der unregelmässigen Muster ihrer Blüten oder Blätter als Zierpflanzen im Handel. So hat auch der bunt gemusterte Indianermais in den letzten Jahren zunehmend an Beliebtheit gewonnen und wird gerne zu Dekorationszwecken verwendet.

Springende Gene auch Transposons (lat. trans = durch, hindurch, ponere = setzen, legen, stellen) oder "jumping genes" genannt, sind mobile, genetische Elemente, die aus einem Chromosom springen und sich an einer anderen Stelle des Chromosoms oder auf einem anderen Chromosomwieder einfügen können. Meistens bestehen Transposons aus einem kurzen Stück DNS, das die genetische Bauanleitung für ein einziges Eiweiss, das Enzym Transposase, trägt. Die Transposase ist eine Art molekulare Schere, mit der sich das springende Gen aus dem Erbgut lösen und an einer anderen Stelle wieder einbauen kann.

Warum das Erbgut nie stabil ist
Veränderungen im Erbgut können durch Strahlung (z.B. UV oder Röntgen), chemische Substanzen oder Viren verursacht werden oder spontan auftreten. Rund 80% aller spontan auftretenden Mutationen werden durch springende Gene ausgelöst.
Springende Gene sind in fast allen Organismen gefunden worden und zahlreiche Beobachtungen belegen, dass sie in der stammesgeschichtlichen Entwicklung eine bedeutende Rolle spielten: Durch ihrer Mobilität sind sie in der Lage, einzelne Gene oder grössere DNS-Fragmente auf den Chromosomen neu zu kombinieren. Die Aktivität springender Gene muss während bestimmten Zeitabschnitten der pflanzlichen Stammesgeschichte extrem hoch gewesen sein. Dies führte zur Ausbildung neuer Gene, oft aber auch zu deren Zerstörung. Ganze Regionen eines Erbguts können durch die Wirkung der springenden Gene neu geordnet werden. Kurz: springende Gene spielen eine wichtige Rolle bei der Ausprägung der genetischen Vielfalt, und damit der Artenvielfalt.
Dem Pflanzenzüchter sind indes auch selten auftretende unerwünschte Phänomene bekannt, die auf die Aktivität springender Gene zurückzuführen sind. Durch ausgeschaltete Gene kann die Pflanze zum Beispiel ihren Habitus verändern oder unerwünschte Inhaltsstoffe bilden. Im Verlaufe des mehrjährigen Ausleseprozesses werden solche Ereignisse vom Züchter erkannt und die betroffenen Pflanzen nicht weiter berücksichtigt. Bis heute sind keine Sicherheitsprobleme bekannt geworden, die mit springenden Genen in Verbindung gebracht werden konnten.

Die unglaubliche Sprungfähigkeit des US-Superstars Michael Jordan hat zwei Biologien veranlasst, ein genetisches Element nach dem Basketballspieler zu benennen. David Kirk und Stephen Miller von der Universität Washington in St. Louis (Missouri) tauften ein Transposon einer Grünalge auf Michael Jordan. Das Transposon hat die Fähigkeit, von einer Position auf dem DNS-Molekül auf eine andere zu springen, wenn die Alge Kälte ausgesetzt ist.

Trotz springender Gene: Mais bleibt Mais
Niemand käme beim Betrachten eines Feldes mit Indianermais auf den Gedanken, dass es darin von springenden Genen nur so wimmelt. Es mag erstaunen, dass trotz der hohen Aktivität der springenden Gene und dem damit einhergehenden Umordnen des Erbgutes in aller Regel völlig normale Maispflanzen heranwachsen. Das liegt daran, dass die Gene, die für die wichtigen Funktionen einer Pflanze verantwortlich sind, nur einen kleinen Bruchteil der Erbsubstanz ausmachen. So schätzt man, dass sämtliche Gene beim Mais nur gerade ein Prozent der gesamten DNA beanspruchen. Rein rechnerisch kann also nur jedes hundertste springende Gen eine Wirkung auslösen. Und selbst davon bemerkt der Mensch nur etwas, wenn sichtbare Merkmale der Pflanze betroffen sind, wie eben beispielsweise die Kornfarbe.

Das Wissen über die springenden Gene und die Flexibilität des pflanzlichen Erbgutes ist unter anderem nützlich bei der Beurteilung der Risiken, die mit der Gentechnik verbunden sind. InterNutrition vertritt die Ansicht, dass die Beurteilung einer neuen Technologie stets im Vergleich zu den herkömmlichen Technologien erfolgen sollte. So soll der im Labor erfolgte Eingriff ins Erbgut zwecks Gewinnung von gentechnisch veränderten Pflanzen unter anderem auch im Verhältnis zu den natürlicherweise vorkommenden genetischen Veränderungen beurteilt werden.