Rosen gehören zu den beliebtesten Zierpflanzen der Welt, doch ihre Stacheln machen Gärtnern und Floristen das Leben schwer. Ein chinesisches Forschungsteam hat nun einen überraschenden Regulator für die Bildung dieser Stacheln gefunden: ein Protein, das eigentlich dafür bekannt ist, Wasser durch Zellmembranen zu schleusen. Wird es in der Pflanze gedrosselt, bilden sich deutlich weniger Stacheln. Das könnte der Züchtung stachelloser Sorten einen neuen Weg eröffnen.
Streng genommen besitzen Rosen keine Dornen, auch wenn der Volksmund das seit jeher behauptet. Echte Dornen sind umgewandelte Sprosse oder Blätter und sitzen fest im Holz, wie etwa beim Weißdorn. Die spitzen Gebilde am Rosenstiel sind dagegen Stacheln. Sie entstehen aus umgewandelten Pflanzenhaaren der äußeren Zellschicht, den sogenannten Trichomen, und lassen sich deshalb vergleichsweise leicht abbrechen. Für die Pflanze erfüllen sie mehrere Aufgaben: Sie schützen vor Fraßfeinden, helfen Kletterrosen beim Festhalten und können in einem frühen Entwicklungsstadium sogar als kleine Wasserspeicher dienen. Für den Menschen sind sie vor allem lästig. In der Schnittblumenproduktion verursachen sie Verletzungen, beschädigen benachbarte Blüten und verlangsamen die Verarbeitung. Stachellose Sorten gibt es zwar, ihre Auswahl ist jedoch begrenzt. Wie die Stacheln auf molekularer Ebene entstehen, war bislang weitgehend unbekannt, obwohl die Rosenzucht seit Jahrhunderten an diesem Merkmal arbeitet.
Einen ersten Hinweis hatte die Genetik bereits geliefert. In früheren Kreuzungsstudien war ein Abschnitt im Erbgut der Rose aufgefallen, der mit der Dichte der Stacheln zusammenhängt. Solche Bereiche nennen Genetiker quantitative Merkmalsorte. In diesem Abschnitt liegen unter anderem zwei Gene für sogenannte Aquaporine. Diese Eiweiße bilden winzige Kanäle in den Zellmembranen, durch die Wasser in die Zelle hinein und wieder hinaus strömen kann. In Pflanzen sind sie für die Wasserversorgung und für die Anpassung an Trockenheit und andere Stressbedingungen seit Langem gut untersucht. Welche Rolle sie bei der Entstehung der Stacheln spielen, war jedoch offen. Das Forschungsteam, dessen Arbeit in der Fachzeitschrift Horticulture Research erschienen ist, ging dieser Frage nun systematisch nach. Die Ergebnisse wurden am 25. September über die Chinesische Akademie der Wissenschaften international bekannt gemacht. Sie verbinden erstmals direkt die Aktivität eines bestimmten Aquaporins mit der Bildung der Rosenstacheln.
Die Forscher kombinierten drei Ansätze. Zunächst verfolgten sie die Entwicklungsgeschichte der Aquaporine über das gesamte Pflanzenreich hinweg und konzentrierten sich dann auf die wirtschaftlich bedeutende Familie der Rosengewächse, zu der neben Rosen auch Äpfel, Birnen und Erdbeeren gehören. Im zweiten Schritt untersuchten sie, wann und wo die verschiedenen Aquaporin-Gene während der Entwicklung eines Stachels und des darunterliegenden Gewebes aktiv sind. Dafür nutzten sie die stachelige Wildrose Rosa gigantea. Zudem verglichen sie die Genaktivität in Trieben und Blättern der stacheligen Chinarose Rosa chinensis mit jener der stachellosen Wildrose Rosa wichuraiana. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede. Besonders auffällig war ein Vertreter der Familie mit der Bezeichnung PIP2;1, der genau in dem zuvor identifizierten Erbgutabschnitt liegt. Seine Aktivität folgte einem Muster, das eng mit der Entstehung der Stacheln verknüpft war.
Um zu prüfen, ob PIP2;1 die Stachelbildung tatsächlich beeinflusst, setzten die Forscher eine Methode namens virusinduzierte Genstilllegung ein. Dabei wird ein harmloses Pflanzenvirus genutzt, um die Aktivität eines bestimmten Gens in der Pflanze vorübergehend zu drosseln. Das Ergebnis war eindeutig: Rosen, bei denen PIP2;1 gedämpft wurde, bildeten entlang ihrer Stiele deutlich weniger Stacheln als Vergleichspflanzen. Damit stellten die Forscher erstmals eine direkte genetische Verbindung zwischen diesem Wasserkanal und der Entstehung der Stacheln her. Die Mitteilung zur Studie spricht von einer unerwarteten Entwicklungsfunktion für ein Protein, das eigentlich dem Wassertransport dient. Die Befunde werfen zugleich neue Fragen auf, etwa wie Pflanzenhormone wie Auxin und Cytokinin mit der Aktivität von PIP2;1 zusammenwirken, um den Beginn der Stachelbildung zu steuern.
Auf den ersten Blick wirkt es überraschend, dass ein Wasserkanal über die Form einer Pflanze mitentscheidet. Tatsächlich hängt das Wachstum pflanzlicher Zellen eng mit der Wasseraufnahme zusammen. Zellen dehnen sich aus, wenn Wasser einströmt und von innen Druck auf die Zellwand ausübt. Ein Protein, das den Wasserfluss in bestimmten Zellen erhöht, kann deshalb beeinflussen, wo und wie stark Gewebe wächst. Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass Aquaporine der Rose an der Streckung der Blütenblätter und an der Anpassung an Trockenheit beteiligt sind. Die neue Arbeit legt nahe, dass die Evolution dieses grundlegende Werkzeug der Zelle auch für die Bildung neuer Körperstrukturen genutzt hat. Die Forscher sehen darin ein Beispiel dafür, wie eine alte Zellmaschinerie für eine neue Gestalt umfunktioniert werden kann. Dazu passt, dass junge Rosenstacheln Wasser speichern können und die Stachelbildung möglicherweise an die Wasserversorgung der Stiele gekoppelt ist.
Für die Züchtung liefert die Studie ein genau benanntes Ziel. Gelingt es, die Aktivität von PIP2;1 gezielt in den Stielen zu verringern, könnten Sorten mit weniger oder gar keinen Stacheln entstehen, die sich für Schnittblumenbetriebe, Floristen und Hobbygärtner leichter handhaben lassen. Die Autoren sprechen von einem Weg zu stachellosen Sorten, ohne die Fitness der Pflanze zu beeinträchtigen. Bis dahin sind jedoch noch Fragen offen. Die virusinduzierte Genstilllegung wirkt nur vorübergehend und eignet sich nicht für die Züchtung dauerhafter Sorten. Zudem erfüllt PIP2;1 in der Rose weitere Aufgaben, etwa bei der Entfaltung der Blütenblätter und beim Umgang mit Trockenheit. Ein vollständiges Abschalten könnte deshalb unerwünschte Nebenwirkungen haben, weshalb eine auf die Stiele begrenzte Veränderung nötig wäre. Die Methoden und Genanalysen im Detail beschreibt die Originalstudie in Horticulture Research, die frei zugänglich ist.
Horticulture Research, Pan-plantae aquaporin evolution: insights into PIP2 as a potential regulator of rose prickle development; doi:10.1093/hr/uhag143