Transsexueller Seetang gibt Einblicke in die Mechanismen der Geschlechtsdifferenzierung

Ein genetisch männlicher Stamm Riesentang kann Eier produzieren und hilft so, die sexuelle Entwicklung von Braualgen zu entschlüsseln.

Feminisierter männlicher Riesentang.

Männlicher Risentang (nicht feminisiert).

Forschende am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und ihre Kollaborationspartner*innen beschreiben einen Stamm von Riesentang, der genetisch männlich ist, aber phänotypisch als weiblich erscheint. Ihre Ergebnisse erlauben Rückschlüsse darauf, wie die sexuelle Entwicklung bei dieser Art auf molekularer Ebene eingeleitet wird. Die Ergebnisse erscheinen bald in der Zeitschrift New Phytologist und sind schon online abrufbar.

Riesentang kann, wie die meisten Tiere und viele Pflanzen, männlich oder weiblich sein. Ähnlich wie auch bei anderen Braunalgen verläuft der Reproduktionszyklus von Riesentang in zwei Phasen: Die klar erkennbaren Sporophyten bilden ausgedehnte Unterwasserwälder, die eine Vielzahl von Meeresorganismen beherbergen. Die Riesentang-Sporophyten besitzen sowohl männliche wie weibliche Geschlechtschromosomen in jeder Zelle, sogenannte U- und V-Chromosomen. Erst in der darauffolgenden Phase als Gametophyten beginnt die Geschlechtsdifferenzierung: Wenn diese vielzelligen, wenn auch deutlich kleineren Organismen ein U-Chromosom vom Eltern-Sporophyt erben, werden sie weiblich – gelb-grüne, goldene oder braune Strukturen mit runden oder ovalen Formen. Wenn sie hingegen ein V-Chromosom besitzen, entwickeln sie männliche Merkmale: Sie werden blasse oder bläuliche, faserartige Strukturen. Zumindest war die Wissenschaft davon bislang überzeugt.

Expression autosomaler Gene als Schlüsselfaktor in der sexuellen Entwicklung

Forschende am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und ihre internationalen Kollaborationspartner*innen haben nun einen Variantenstamm von Riesentang entdeckt und beschrieben, der das männliche V-Chromosom trägt, aber überraschenderweise vornehmlich weiblich erscheint – obwohl ihm das U-Chromosom dafür fehlt. „Der genetisch männliche Riesentang ist fast ununterscheidbar von einem weiblichen, und vor allem kann er sich sogar durch Parthenogenese fortpflanzen, was normalerweise den Weibchen vorbehalten ist“, sagt Susana Coelho, Hauptautorin der Studie.
Coelho und ihr Team konnten die molekularen Mechanismen hinter diesem verblüffenden Phänomen identifizieren. Wichtig für die Sexualentwicklung sind nicht nur die vergleichsweise wenigen Gene in den U- und V-spezifischen Regionen, sondern auch weitere Gene – autosomale Gene auf den Chromosomen, die Männchen und Weibchen gemeinsam sind. Ob und wie oft diese Gene von DNA zu RNA transkribiert werden ist entscheidend dafür, ob ein Individuum sich zum Männchen oder Weibchen entwickelt. Beim transsexuellen Riesentang waren diese Genexpressionsmuster sowohl feminisiert als auch entmaskulinisiert. Durch die Analyse dieser Muster konnten die Forschenden die Rollen von autosomalen Genen einerseits und U- und V-spezifischen Genen andererseits für die Sexualentwicklung entwirren. Insbesondere zwei V-spezifische Gene waren beim transsexuellen Seetang deutlich herunterreguliert; für eines davon war bereits zuvor eine Schlüsselrolle in der männlichen Sexualentwicklung vermutet worden.

Weiblichkeit ist möglicherweise nicht das „Standardgeschlecht“

Die Umkehrung der Geschlechtsentwicklung hin zum weiblichen Entwicklungsprogramm ist allerdings unvollständig: Die „Eier“ des genetisch männlichen Tangs können nicht das Pheromon produzieren, das zum Anlocken von Spermien dienen würde. Während der Riesentang also zweifelsfrei demonstriert, dass das U-Chromosom nicht nötig ist, um das weibliche Entwicklungsprogramm zu starten, beleuchtet er gleichzeitig dessen Wichtigkeit: „Bislang dachten wir, das Weiblichkeit das ,Standardgeschlecht‘ für Riesentang und einige andere Braunalgen sei“, betont Coelho. „Aber tatsächlich kann der Seetang ohne U-spezifische Regionen keine voll funktionsfähigen Eier produzieren – es sieht so aus, als gäbe es letztlich kein Defaultgeschlecht.“ Zusammengenommen sind die Ergebnisse die erste Illustration dafür, wie männliche und weibliche Entwicklungsprogramme zumindest teilweise von der sexuellen Identität qua Geschlechtschromosomen entkoppelt sein können.

Kontakt:

Susana Coelho
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
Max-Planck-Ring 5
72076 Tübingen                                                                  

office_coelho@tuebingen.mpg.de

Originalpublikation:

Dieter G. Müller, Enora Gaschet, Olivier Godfroy, Josselin Gueno, Guillaume Cossard, Maritta Kunert, Akira F. Peters, Renato Westermeier, Wilhelm Boland, J. Mark Cock, Agnieszka P. Lipinska, Susana M. Coelho: A partially sex-reversed giant kelp sheds light into the mechanisms of sexual differentiation in a UV sexual system. New Phytologist 24 Jun 2021, https://doi.org/10.1111/nph.17582