Zeitschr~ft ffir Vererbungslehre 91, 152--157 (1960)

Aus dem Botanischen Institut der Universit~t zu KSin UBER EIN MODELL DER PLASTIDENMUTATION Von W I L ~ L ~ ME~X~ (Eingegangen am 12. Mgrz 1960)

Erbliehe Plastidendefekte kSnnen, wie Kreuzungsexperimente zeigen, verschiedene Ursachen haben; die mendelnden Defekte entstehen infolge einer Genmutation, die nicht mende!nden gehen auf extraehromosomale Mutationen zurfiek. I n den Plastiden ]~13t sich eine extraehromosomale Mutation lokalisieren, wenn sieh Zellen linden, in denen normale und mutierte Plastiden nebeneinander vorkommen. Dutch Genmutation defekt gewordene Chloroplasten sind nut phgnotypisch vergndert, wghrend die dutch Plastidenmutation entstandenen Defekte unabhs v o m Genom erhalten bleiben. Plastidenmutationen treten wie Genmutationen spontan auf. Sie werden naeh einer Zusammenstellung yon MALY (1958b) mit ether I-I~ufigkeit yon 10 - t bis 10 -3 beobachtet. Bei der immerhin grol~en Seltenheit des Auftretens ether bestimmten Mutation darf m a n annehmen~ dab jewefls nur eine Plastide mutiert. Aus ihrem genetisehen Verhalten mul~ m a n folgern, dab die Plastiden besondere Erbanlagen besitzen, deren Gesamtheit m a n als Plastom bezeichnet 1. Zwischen Genmutation und Plastidenmutationen bestehen jedoeh Untersehiede, und yon diesen geht die im folgenden entwickelte Auffassung yon der N a t u r der Plastidenmutation und der Wirkungsweise der Plastidengene aus. Die ~s der Genmutation kann dureh energiereiche Strahlen betr~chtlieh erhSht werden, wahrend Versuche, dureh RSntgenbestrahlung die Rate der Plastidenmutationen heraufzusetzen, erfolglos blieben (MALu 1958b). Dieser U m s t a n d weist darauf hin, dal~ die dem Genom und die dem Plastom zugrunde liegenden Strukturen versehieden sind. Ferner sind mendelnde Gene entdeckt worden, welehe die Mutationsh~ufigkeit der Plastiden stark erhShen (RHoADES 1943, A~ASO~ und WALK~.a 1949, W o o n s und Du BuY 1951). Unter das normale Genom zurfiekgebraeht, behalten die mutierten Plastiden ihren Charakter bet. Sie mutieren nieht zur Ausgangsform zurfick. Die geninduzierte Plastidenmutation ist irreversibel und es ist bisher auch kein Fall einer Rfickmutation yon spontanen Plastidenmutanten bekannt gewoiden 2. Von einer Theorie der Plastidenmutation ist also zu fordern, dab sie die Irreversibilitat der Plastidenmutation und die Unempfindliehkeit des Plastoms gegen RSntgenstrahlen verst~ndlich macht. Die phanotypisehe Beeinflussung der Plastiden durch das Genom kann m a n sieh nach einer mehr und mehr konkretisierenden, aber keineswegs in allen Einzelheiten bewiesenen Vorstellung wie folgt denken. Die Desoxyribonucleini Die ~ltere Literatur wurde yon Co~E~s kritisch in einem Handbuchartikel zusammengestellt, der nach dessert Tode yon F. v. WETTST~r~vervollst~ndigt und herausgegeben wurde. M i c ~ L I s (1957) hat zwar einen Fall beschrieben, den er als Riickmutation deutet. Es treten jedoch keine l~Iischzellen mit mutierten und rfickmutierten Plastiden auf, w~hrend normale und mutierte Chloroplasten in derselben Zelle vorkommen.

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s/~ure (DNS) des Zellkerns ist primer Trgger der genetischen Information der Zelle. Die Information wird auf hoehmolekulare l~ibonucleins/iure (I~NS) iibertragen. Diese wird darauf an die Stellen der Proteinsynthese in der Zelle, also aueh in die Plastiden transportiert und erm6glieht in Gemeinsehaft mit anderen Komponenten die Synthese der Plastidenproteine 1, die ihrerseits Ms Fermente die normMe Entwicklung der Plastiden zu Chloroplasten and ihre Stoffweehselfunktion gew/~hrleisten. Eine Genmutation ist mit einer Ver/tnderung der ehemisehen Struktur der DNS verbunden. Diese ffihrt zum Ausfall eines Fermentes und damit zur Bloekierung einer Stoffwechselreaktion. Ist dieses Ferment etwa an der Chlorophyllsynthese betefligt, so vermSgen die Plastiden nieht mehr zu ergriinen. Gelangen diese ehlorophylldefekten Plastiden wieder unter das normale Genom zuriiek, so ergrfinen sie, weft nunmehr wieder normMe I~NS in die Plastide gelangt, welehe die Synthese der normMen Fermentgarnitur erm6glieht. Unabh/~ngig davon, ob sieh diese Vorstellung yon der Genwirkung im einzelnen Ms zutreffend erweisen wird oder nieht, kann man annehmen, dab die geninduzierte Plastidenmutation in derselben Weise eingeleitet wird wie die reversible, pMnotypisehe Plastidenver~nderung, n/imlieh dadureh, dub die Synthese eines bestimmten Strukturelementes bloekiert wird. Da die geninduzierte Plastidenmutation abet irreversibel ist, mug man einen zusgtzliehen Meehanismus suehen, der eine irreversible Ver/~nderung der Plastidenstruktur bewirkt. Nun sind Systeme bekannt, in dener~ die Synthese einer hochmolekularen Verbindung in Anwesenheit vort Substrat und Enzym nut dann in Gang kommt, wenn eine geringe Menge des hoehmolekularen Reaktionsproduktes als Starter vorhanden ist. tIier w/~ren Ms Beispiele die enzymatische Synthese yon Amylose und Amylopektin (Co~I und CogI 1939) und ferner die enzymatische Synthese der DNS (Kog~BEgG 1959) anzuftihren. Bemerkenswert ist, dab im Falle der DNSSynthese die zugesetzte DNS nieht nut als Starter die Synthese in Gang bringt, sondern aueh die ehemisehe Zusammensetzung des l~eaktionsproduktes bestimmt. Wenn nun infolge einer Genmutation ein Strukturelement der Plastiden, welches die Eigensehaft times Starters besitzt, nieht mehr gebfldet wird, oder wenn seine Produktion hinreiehend gehemmt ist, so k6nnen bei den folgenden Teilungen Plastiden entstehen, die dieses Struktm'element nieht mehr enthalten. In diesen ist abet die Produktion des betreffenden Strukturelementes aueh dann nicht wieder m6glieh, wenn sic unter das normale, nieht mutierte Genom zur/iekgelangen. Diese Plastiden sind unter Wirkung tines Gens irreversibel mutiert. Die spontane Plastidenmutation kann eberffalls als Verlustmutation aufgefagt werden. In diesem Fall sollte bei den Teilungen gelegentlieh spontan eine Toehterplastide entstehen, die ein Strukturelement, welches Startereigensehaften besitzt, nieht enth/ilt. Sehon R E ~ E ~ (1943) hatte die Ansieht ge/~ugert, dub die spontane Plastidenmutation w/~hrend der gr68ten l~eduktion des Plastidenvolums stattfinde. Zwei~ellos ist in diesem Zustand die Wahrseheinliehkeit, dab bei einer Teilung eine Toehterplastide entsteht, die ein bestimmtes Strukturelement nieht mitbekommt, am gr68ten, weil die Gesamtzahl der fiberhaupt vorhandenen Strukturelemente dann am geringsten ist. Gesttitzt wird die Aulfassung, dab die spontane Plastidenmutation dutch Verlust eines Strukturelementes mit Startereigensehaften zustande komme, dureh ~inweise yon W. STVB]~E (1958, 1959), 1 ~)ber Pro~einsynthesein Chloroplasten: ST]~P~ENSOSr,T~XMA~ und Z ~ e ~ (1956).

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nach denen bei Oenothera Defektmutanten der Plastiden nicht dutch Genome anderer Arten ph~notypisch kompensicrbar sind. Das geschilderte System besitzt offenbar alle Eigenschaftcn, die man yon einem Modell der Plastidenmutation beim derzeitigen Stande des Wissens fordern kann. Es ist wie die genindnzierte Plastidenmutation vom Genom abhangig, und zwar wird die t)lastidenmutation yon Genen induziert, die Allele yon Genen sind, welche die normale Entwicklung der Plastiden ermSglichen. Weft bei den Teilungen der Plastiden solchc entstehen, die das fragliche Strnkturelemen$ enthalten und solche, die es nicht enthalten, erklgrt das lV[odell, warum die betreffenden mutierten Gene die 1Viutationshaufigkeit der Plastiden zwar betriichtlich erhShen, nicht abet die Mutation aller Plastiden bewirken. Wenn ein mntiertes Gen die Vermehrung verschiedener Strukturelemente mit Startereigenschaften hemmt, so kSnnen bci den Plastidenteilungen verschiedene Plastidenmutanten in derselben Pflanze auftreten, weft die eine Tochterplastide znfallig das eine, die andere ein anderes Strukturelement nicht mitbekommt, wie es bei Nepeta nach Du B u y und WooDs (1951) der Fall zu sein scheint. Das Auftreten yon spontanen Plastidenmutationen wird ohne zusatzliche Annahmen verstandlich. Verstandlich wird ferner, warum die Plastidenmutation irreversibel ist, und warum die Empfindlichkeit des P]astoms gegcnfiber mutagenen Agenzien cine andere ist als die des Genoms. Die Frage nach der chemischen Natur des Plastoms ]ai~t sich heute noch nicht beantworten. Zunachst lag es nahe, in Analogie zu den Chromosomen auch in den Plastiden DNS als den Trager ihrer idiotypischen Eigenschaften anzusehen; und so hat es nicht an Bemfihungen gefehlt, DNS in den P]astiden nachzuweiscn. I~egative Befunde (/-IoLD]~ 1952, STs 1957, LITTAU 1958) stehen hier posiriven gegenfiber (M~Tz~wa 1952, SPIWKE~A~ 1957, MOThY.S, BSTTG]~ und WOLLGI~HN 1958, STOCKINGnnd GIr~O~D 1959). Aus Blattern yon Antirrhinum majus Sippe 50 lassen sich nun, wie B. ABEL land, und wie ich bestatigen kann, Chloroplasten reiner und in besserem morphologischen Erhaltungszustand isolieren als aus irgendeiner anderen yon mir untersuchten Pflanze. Diese enthalten nach unseren bisherigen Analysen hSchstens soviel DNS, dab ein Molekiil yore lVfolekulargewicht 6 • l06 auf einen Chloroplasten kommt. Die elektronenmikroskopische Untersuchung ergab aber, da]~ auch diese Praparate noch nicht vSllig frei yon Zellkerntrfimmern sind. Daher kann eine plastideneigene DNS als Trager der genetischen Information wahrscheinlich ausgeschlossen werden, zumal die Plastidenmutation sich wie die Genmutation verhalten sollte, wenn DNS der Trager der genetischen Information in den Plastiden ware. Demgegeniiber lai~t sich RNS in den Chloroplasten mit verschiedenen Methoden nachweisen (MEI~KE 1938, I-Ior~Dv~ ]952, LITTAU 1958, B~AWE~MA~ und CHA~GAFF 1959). ~ach noch nicht abgeschlossenen Untersuchungen lassen sich verschiedene l~ibonucleinsaaren aus den Chloroplasten isolieren. Eine Fraktion wird dutch Pankreasribonuclease abgebaut und bei alkalischer Hydrolyse entstehen Mono-Nucleotide, die bei der Elektrophorese die bckannten Beweglichkeiten aufweisen. Au]erdem konnte ein nucleotidhaltiger Komplex aus Chloroplasten extrahiert werden, der sich auf der Ultrazentrifuge einheitlich verhalt (Su0-.~ 1.5). Dieser wird dutch Pankreasribonuclease nicht angegriffen und bei

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der Elektrophorese (p~ 3,5; 1,9) verlagern sieh die Produk~e der alk~lischen I-Iydrolyse nur sehr wenig. Dieser Komplex enth~lt Aminos~uren und zwar kommt naeh den bisherigen Analysen auf 4--5 Mono-Nucleotide etw~ eine Aminos~ure. Aul3er Ribose sind noch andere Zucker nachweisbar. Da die Chloroplasten also I~NS enth~lten, toni3 m~n mit der MSglichkeit reehnen, da~ diese der Tr~ger der idiotypischen Komponenten der Plastiden ist. Wenn dies der Fall ist, so mfi~te die I~NS wenigstens zum Teil eine plastideneigene RNS sein; sie mill]re also in den Plastiden identisch reproduziert werden und zwar, was ihre Struktur angeht, unabh~ngig vom Genom. Nach der bier dargeleg~en Anffassung sollte die RNS der Pl~stiden jedoeh aus dem Zellkern stammen und sie sollte die genetische Information yon den Chromosomen auf die Plastiden fibertr~gen, wobei es natfirlich offenbleibt, ob nicht eine bestimmte Fraktion der RNS oder ein l~ibonucleoproteid Tr~ger yon idiotypischen Eigenschaften der Plastiden ist. Ffir das hier besprochene Modell der Plastidenmutation ist es nun abet kennzeichnend, dal3 die Strukturen, welche Tr~ger der idiotypischen Eigenschaften der Plastiden sind, nicht notwendigerweise Tr~ger der genetische~ Information sein mfissen. Die genetisehe Information fiber alle erblichen Plastideneigensehaften k~nn in den Chromosomen lok~lisiert sein. Wohl aber miissen die Pl~stiden spezifische Strukturen mit St~rtereigenschaften besitzen. Diese kSnnen grnnds/~tzlich Protein, Proteid oder l~NS-Molekiile, aber ~uch fibermolekulare Struktnrelemente sein. Es gibt jedoch andererseits aueh Grfinde, die daffir spreehen, dal3 der Starter selbst Tr~ger der genetischen Information ist. Der Unterschied zwisehen den beiden MSglichkeiten besteht darin, dal3 im ersten Fall das genabh~ngige Ferment allein bestimmt, welches t~eaktionsprodukt gebildet wird, wobei die Synthese abet nur in Anwesenheit des Starters in Gang kommt. Im zweiten Fall bestimmt jedoch tier Starter wie bei dam yon KoR~]~s~G (1959) untersuchten System der DNS-Synthese, welches Reaktionsprodukt gebfldet wird und ob die Synthese fiberhaupt in Gang kommt. Die Spezifit~tt des Fermentes ist hier eine geringere. Der im vorstehenden entwickelte Gedankengang ging yon der Beobaehtung aus, dal3 die Plastidenmutation irreversibel ist, und da[~ das Plastom gegen mutagene Agenzien eine ~ndere Empfindlichkeit besitzt als das Genom. Diese Befunde sollten an einem Objekt, das die Untersuchung hinreiehend hoher Zahlen yon Individt~en ohne Mlzu grol3en Aufwand z u l ~ t , gesichert werden. Eine Uberprfifung erscheint vor allem deswegen erforder]ich, weft MICltAELIS (1958) durch Behandlung yon Samen mit radioaktiven Isotopen eine groBe Zahl yon Plastidenmutanten erhielt. Es ist jedoeh fraglieh, ob diese direkt durch Strablenwirkung auf die Plastiden induziert werden. Eine eindeutige Priifung der skizzierten Auffassung ware mSglich, wenn es gel/~nge, die fraglichen Strukturelemente ans normalen Plastiden herauszupr~parieren und in mutierte Plastiden hineinzubringen. Dieser Weg erseheint jedoeh beim derzeitigen Stande der Technik nicht sehr erfolgversprechend. Eher dfirfte as sehon mSglich sein, aus Pl~stiden ein System zu isolieren, welches in vitro Proteine zu synthetisieren vermag, wenn bestimmte Komponenten Ms Starter ~nwesend sind. Prap~rativ chemische Untersuehungen kSnnen in diesem Zusammenhang wiehtige Vorarbeiten leisten. Im iibrigen kSmmn dureh ehemisch-analytische Befunde gewisse MSglichkeiten ausgeschaltet werden, wie etwa die, ob DNS als Tr~ger der genetischen Informution

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des Plastoms in Betracht zu ziehen ist oder nicht. Auch durch elektronenmikroskopische Untersuchungen an Plastiden in meristematischen Geweben kann eher die genetische Bedeutung eines Strukturelementes ausgeschlossen, als ein I-Iinweis positiver Art erhalten werden. Abschliel3end sei noch darauf hingewiesen, dab das genetische Verhalten der Plastiden nur verstiindlich ist, wenn die Plastiden im Sinne der Meyer-Sehimperschen Theorie morphologische Kontinuit~t besitzen. In dieser Frage sei auf die Untersuchung yon P~I~GSH~I~ und P~I~GS~V,I~ (1952) hingewiesen. Werden Euglenen bei erhShter Temperatur kultiviert, so li~uft die Zellteflung in sehnellerer Folge ab als die Plastidenteilung. Daher entstehen nach Ablaut einer bestimmten Zahl yon Zellteflungen plastidenfreie Zellen. Diese bleiben auch unter normalen Kulturbedingungen dauernd plastidenfrei. Es finder keine ~eubfldung yon Plastiden start, obwohl Zellkern und Plasma aller Wahrscheinlichkeit nach unverandert sind, was sich fibrigens durch Transplantation yon Plastiden in plastidenfreie Zellen kontrollieren [ie~e. l-Iier verhalten sich offenbar die Chloroplasten Ms ganze so, wie oben ffir Plastidenstrukturen mit Startereigenschaften angenommen wurde; denn naeh Verlust der Chloroplasten ents tehen keine neuen, obwohl die Gene, welche die Entwicldung der normalen P]astidenstruktur gewiihrleisten, im Genom vorhanden sein sollten, ltingewiesen sei noch darauf, dal~ sich die hier dargelegte Auffassung yon der Plastidenmutation auch aui andere extrachromosomale Mutationen, die ein entsprechendes genetisches Verhalten zeigen, fibertragen lal~t. ~ i e r w~re die yon MALu (1958a) untersuchte Teilungsanomalie yon Paramaecium aurelia zu nennen.

Summary I-Iereditary defects of plastids may result from gene mutations or plastid mutations. Gene mutation are reversible by baekmutation. Mutation of plastids are irreversible. The rate of gene mutation can be increased by X-ray treatment, but not the rate of plastid mutation. ~owever there are genes, which greatly increase the frequency of plastid mutation. These genes are allelic to such ones controlling the development of the normal structure of plastids. The different mutational behaviour of plastids may be intelligible, if one supposes that there are structures within the plastids which need for their synthesis in addition to enzyme and substrate small amounts Of the reactionproduct as a primer. The formation of the enzyme is genedependent. A mutation of the gene necessary for enzyme formation leads to a reversible blocking of enzyme synthesis and therefore to a lack of reaction product. Through division daughter plastids arise that either do contain or do not contain the primer. In the latter case with irreversible mutation of the plastids, they cannot synthesize the reaction product owing to the loss of the primer even if they are restored through crossing with the nonmutated genome. A spontaneous mutation of a plastid may take place during division, if one of the plastids by chance does not receive the primer. According to this point of view the mechanism of plastid mutation is different from that of gene mutation. Thus it becomes obvious why the susceptibility of plastids to mutagens is quite different from that of genomes. Fiir Diskussionen und Hinweise danke ich den Herren ProL Dr. J. ST~x~ und Prof. Dr. FgI~DRIC~-FR~ZS~. Die Arbeit wurde mi~ Unterstiitzung der Deutschen For-

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Dber ein Modell der Plastidenmutation

schungsgeminschafl ausgeffihrt. Frl. R. EItRING danke ich ffir die Bestimmung yon Sedimentationskonstanten.

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