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Umwelt+Natur

Blick ins Genom eines Parasiten

Teufelszwirn
Cuscuta campestris umschlingt die Stängel von Pflanzen und entzieht ihnen Nährstoffe und Wasser. (Foto: Kirsten Krause/ The Arctic University of Norway, Tromsø)

Parasiten gibt es nicht nur im Tierreich – auch die vermeintlich so friedliche Pflanzenwelt kennt Schmarotzer, die auf Kosten anderer leben. Ein besonders perfider Parasit ist der Teufelszwirn (Cuscuta campestris), der sich um andere Pflanzen windet und ihnen Wasser und Nährstoffe abzieht. Was ihn dazu befähigt und wie er zu einem solchen „Vampir“ wurde, hat nun ein erster Blick ins Teufelszwirn-Erbgut enthüllt. Es ist das erste Genom einer parasitären Pflanze, die sequenziert worden ist. Das Windengewächs hat demnach im Laufe seiner Evolution einige Gene von seinen Opfern übernommen, andere dagegen ganz reduziert.

Die Nordamerikanische Seide (Cuscuta campestris), auch Teufelszwirn genannt, ist ein berüchtigter Parasit: Er schwächt seine Opfer so stark, dass diese nur noch mickern und sogar eingehen können. Befällt der Teufelszwirn Nutzpflanzen, drohen gravierende Ernteausfälle – unter anderem in Süd- und Osteuropa wurden so schon ganze Kartoffel-, Raps- oder Getreidefelder vernichtet. Der Grund dafür: Der Parasit gewinnt seine gesamten Nährstoffe und alles Wasser nicht mehr aus dem Boden, sondern von seinen Wirtspflanzen. Deshalb besitzt er auch keine eigenen Wurzeln oder Blätter mehr und betreibt kaum Photosynthese. Stattdessen windet sich der Teufelszwirn um den Stängel der Wirtpflanze und dringt mit speziellen Saugorganen, den Haustorien, tief in das Leitungsgewebe des Opfers ein. Während er dieses aussaugt, produziert der Zwirn viele neue Keimlinge und überwuchert systematisch die umliegende Vegetation.

Genetischer „Fußabdruck“ des Parasitismus

Ungewöhnlich dabei: „Im Gegensatz zu den meisten anderen parasitischen Pflanzen und Pflanzenpathogenen, haben die Teufelszwirne ein bemerkenswert breites Wirtsspektrum – es reicht von einjährigen Pflanzen über Sträucher bis zu Bäumen und umfasst ganz verschiedenen Linien des Pflanzenreichs“, erklären Alexander Vogel von der RWTH Aachen und seine Kollegen. Was den Teufelszwirn dazu befähigt und wie er generell zu dem Parasiten wurde, der er heute ist, war bisher jedoch weitgehend unbekannt – auch weil sein Genom bisher nicht entziffert worden war. „Das vollständige Kerngenom ist bisher noch von keiner parasitären Pflanze sequenziert worden“, so die Forscher. Jetzt haben sie diese Wissenslücke geschlossen und das Erbgut der Nordamerikanischen Seide entschlüsselt. Das Erbgut des Parasiten ist in seinem Zellkern auf 56 kleine Chromosomen verteilt.

Die Sequenzierung bestätigte: „Der parasitische Lebensstil hat charakteristische Fußabdrücke im Erbgut von Cuscuta campestris hinterlassen“, berichten Vogel und seine Kollegen. Wie sie feststellten, hat der Teufelszwirn im Vergleich zu seinen nichtparasitischen Verwandten Laufe seiner Entwicklung 1736 Gene reduziert. Unter ihnen sind Gene, die Pflanzen normalerweise dabei helfen, ihre Photosynthese-Reaktionen trotz schwankender Lichtintensitäten hochzuhalten. „Diese Gene sind offenbar für den Teufelszwirn überflüssig, weil seine Photosynthese rate so niedrig ist, dass der kritische Punkt nie erreicht wird“, erklären die Forscher. Verloren hat der Parasit auch zahlreiche Gene, die die Aufnahme von Nährstoffen über die Wurzeln und die Wechselwirkung der Wurzeln mit der Bodenumwelt regulieren – angesichts der ihm fehlenden Wurzeln wenig erstaunlich.

Übernahme fremder Gene

Interessant ist jedoch, dass sich der „grüne Vampir“ auch genetisch bei seinen Wirtspflanzen bedient hat. Mit dem Absaugen von Wasser und Nährstoffen hat der Parasit Erbgutteile der Pflanzen in sich aufgenommen und in sein eigenes Erbgut integriert. Die Wissenschaftler fanden 64 DNA-Abschnitte im Teufelszwirn-Erbgut, die denen von Pflanzen anderer Familien ähneln, aber für Windengewächse untypisch sind. „Die Mehrheit dieser Abschnitte kann auf Pflanzen der bevorzugten Wirtsordnungen der Schmetterlingsblütler und der Nelkengewächse zurückgeführt werden, was für einen horizontalen Gentransfer zwischen Wirt und Parasit spricht“, so Vogel und seine Kollegen. Auch von Karotten, Rosen, Malven und Kohl stammen einige „erbeutete“ Gene.

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Welche Vorteile diese Fremdgene dem Teufelszwirn verleihen, ist bisher noch unklar. Die Forscher vermuten aber, dass sie dem Parasiten beispielsweise helfen könnten, die Abwehrmechanismen der Wirtspflanzen zu umgehen und sich molekular vor deren Immunabwehr zu tarnen. „Ein Indiz für einen Zusammenhang zum Infektionsprozess könnte die erhöhte Aktivität einiger dieser Gene in der Haustorien sein – aber das muss nun noch weiter untersucht werden“, sagen Vogel und seine Kollegen. „Generell liefert das Genom von Cuscuta campestris uns Hinweise auf die evolutionären, physiologischen und entwicklungsbiologischen Aspekte, die mit dem Parasitismus bei Pflanzen verknüpft sind.“

Quelle: Alexander Vogel (RWTH Aachen) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-018-04344-z

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