Kampfzone der Geschlechter

Seit Darwins Zeiten treibt Evolutionsforschende eine grundsätzliche Frage um: Wie entstehen unterschiedliche Geschlechter, wenn die Gene von Männchen und Weibchen weitgehend dieselben sind?

Zum Beispiel beim Menschen: Ein kleiner, aber offensichtlich wichtiger genetischer Unterschied zwischen Mann und Frau ist, dass der Mann ein Y-Chromosom hat. Sein X-Chromosom ist indessen identisch mit dem der Frau, die zwei Kopien davon trägt. Trotzdem unterscheiden sich Männer und Frauen im Körperbau oder Verhalten. Ein Grund dafür ist, dass viele gemeinsame Gene geschlechtsspezifisch aktiv sind.

Doch wie ist es dazu gekommen, dass Gene in beiden Geschlechtern unterschiedliche Aktivitäten zeigen? Diese Entwicklungen lassen sich am Menschen nicht mehr untersuchen, da sie zu weit zurückliegen, wohl aber an Pflanzen: Forscher um ETH-Professor Alex Widmer vom Institut für Integrative Biologie haben deshalb zwei naheverwandte Pflanzenarten verwendet, um die Frage nach der Evolution von Genexpressionsunterschieden zwischen den Geschlechtern zu klären. Die Studie wurde soeben in der Fachzeitschrift «Nature Plants» veröffentlicht.

Vergleich der Genaktivitätsmuster

Bei der zweihäusigen Weissen Lichtnelke (Silene latifolia) sitzen die Geschlechter auf unterschiedlichen Individuen. Die einen tragen nur weibliche Blüten, die anderen nur männliche. Ihre nahe Verwandte, das Taubenkropf-Leimkraut (Silene vulgaris), weist zwittrige Blüten auf, seltener sind rein weibliche Individuen.

Die Forscher nehmen an, dass die Genexpression im Leimkraut dem ursprünglichen Zustand eines gemeinsamen Vorfahren entspricht. Aus diesem Urahn bildete sich im Laufe der Evolution das Leimkraut mit zwittrigen Blüten und die getrenntgeschlechtliche Lichtnelke. Darüber hinaus entwickelte die Lichtnelke Geschlechtschromosomen wie der Mensch: Männliche Pflanzen tragen ein X- und ein Y-Chromosom, weibliche zwei X-Chromosomen.

Die ETH-Forscher haben nun analysiert, welche Gene in den jeweiligen Geschlechtern der Weissen Lichtnelke aktiv sind und auf welchen Chromosomen diese zu finden sind.

Um zu messen, welche Gene aktiv sind, analysierten die Wissenschaftler deren Expression. Diese ist ein Mass für die Intensität, mit der ein Gen von der DNA abgelesen wird. Wird ein Gen «exprimiert», entstehen Boten-RNS-Moleküle. Deren Gegenwart und Menge lassen Rückschlüsse darauf zu, ob und wie stark ein bestimmtes Gen aktiv ist.

Auch normale Chromosomen unterschiedlich aktiv

Dabei zeigte sich, dass ein grosser Teil der Gene auf den Geschlechtschromosomen von Männchen und Weibchen unterschiedlich stark exprimiert werden. Dies weist darauf hin, dass diese Chromosomen wie erwartet eine wichtige Rolle bei der Ausbildung der Geschlechtsunterschiede spielen.

Die Forscher fanden aber auch auf den «normalen» Chromosomen, den sogenannten Autosomen, viele Gene, die in beiden Geschlechtern vorkommen, jedoch im jeweiligen Geschlecht unterschiedlich exprimiert wurden. Dies legt den Schluss nahe, dass die geschlechtsspezifische Expression von Genen auf den Autosomen ebenfalls zum beobachtbaren Geschlechtsunterschied bei der Weissen Lichtnelke beiträgt.

Weibliche Genexpression stärker verändert

Den Forschern stellte sich weiter die Frage, wie sich diese geschlechtsspezifischen Unterschiede im Laufe der Evolution herausgebildet haben. Sie stellten daher die Genaktivität des zwittrigen Leimkrauts mit derjenigen von Männchen und Weibchen der Lichtnelke gegenüber. Zu ihrer Überraschung fanden die Wissenschaftler zahlreichere und stärkere Veränderungen der Genexpression in den Weibchen als in den Männchen der Lichtnelke im Vergleich mit dem Leimkraut-Zwitter.

Gene, die in den Weibchen stärker exprimiert werden als in den Männchen, wurden im Verlauf der Evolution getrennter Geschlechter spezifisch in den Weibchen hochreguliert. «Gene, die heute stärker in den Männchen exprimiert werden, sind allerdings meist dadurch entstanden, dass ihre Aktivität in den Weibchen gedrosselt wurde», erklärt Widmer.

Geschlechtertrennung als Vorteil

Warum die meisten Expressionsveränderungen in den Weibchen stattgefunden haben, erklären die Forscher wie folgt: «Die Weibchen profitierten von der Geschlechtertrennung wahrscheinlich mehr als die Männchen.» Dies zeige auch der Vergleich der Lichtnelke mit dem Leimkraut.

Das zwittrige Leimkraut müsse nämlich einen Kompromiss eingehen zwischen männlicher und weiblicher Funktion. Der männliche Teil der Blüte muss möglichst viel und guten Pollen produzieren, der weibliche Teil die Samen. Für die weibliche Funktion könnte diese Aufgabenteilung nachteilig sein, da ihr weniger Ressourcen zur Verfügung stehen. «Zwittrige Blüten sind die Kampfzone der Geschlechter», sagt Widmer. In getrenntgeschlechtlichen Individuen hingegen kann das jeweilige Geschlecht sämtliche Ressourcen für seine entsprechende Aufgabe einsetzen.

Getrennte Geschlechter im Pflanzenreich selten

Unterschiedliche Geschlechter sind im Tierreich weit verbreitet, im Pflanzenreich hingegen überwiegen zwittrige Arten – trotz der Vorteile von getrennten Geschlechtern. Weshalb dem so ist, ist noch weitgehend unbekannt. Widmer wird deshalb eine neue Studie beginnen, mit der er die evolutiven Vorteile von getrennten Geschlechtern, aber auch von Zwittern, untersuchen will. Als Modellsystem bieten sich Pflanzenarten an, von denen es sowohl getrenntgeschlechtliche als auch zwittrige Populationen gibt.

Mit ihrer Forschung stützen Widmer und seine Gruppe eine Idee, die bereits Charles Darwin hatte. Unterschiedliche Geschlechter sind von Vorteil, da jedes Geschlecht die ihm zur Verfügung stehenden Ressourcen unabhängig vom anderen Geschlecht verwenden kann.