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Umwelt+Natur

Algen: Gene für den Landgang

Chara braunii: In ihr sind Moos, Farn, Nadelbaum und Blume gewissermaßen schon angelegt. (Foto/ Collage: Melanie Barth/ Debbie Maizels)

Wie schafften die ersten Pflanzen den Schritt an Land? Einige wichtige Voraussetzungen dafür brachten sie bereits aus dem Wasser mit, wie eine Genomanalyse nun zeigt: Schon die Armleuchteralge Chara braunii besitzt genetische Merkmale, die Wasserpflanzen später den evolutionären Übergang zum Landleben ermöglichten. Damit sind einige bislang als Landpflanzen-typisch geltende Eigenschaften weitaus älter als gedacht.

Die Besiedlung des Landes durch die ersten Pflanzen war einer der folgenreichsten und wichtigsten Schritte der Evolution auf unserem Planeten. Mit der Entwicklung der Vegetation auf den zuvor noch kahlen Landmassen veränderten sich die geochemischen Kreisläufe, der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre nahm zu und neue ökologische Nischen entstanden. Doch der Übergang vom Wasser auf das Festland war für die Vorfahren der heute so vielfältigen Landpflanzen ein schwieriger Schritt. Um überleben zu können, mussten sie sich an eine Reihe neuer Bedingungen anpassen – unter anderem daran, dass die Nährstoffe nicht mehr frei um sie herumschwammen, sondern fest im Boden verschlossen waren. Wie und wann aber entstanden diese Anpassungen? Einige davon offenbar bereits im Wasser: Studien zeigen, dass etwa schon Grünalgen das genetische Werkzeug zur Zusammenarbeit mit Pilzen besitzen. Nur dank solcher mikrobiellen Symbiose-Partner schaffen es Bäume und Co heute, Mineralien aus dem Boden zu lösen.

Anpassung an Trockenheit

Wissenschaftler um Tomoaki Nishiyama von der Kanazawa Universität in Japan wollten nun wissen, welche weiteren genetischen Voraussetzungen den erfolgreichen Übergang vom Wasser ans Land vor 500 Millionen Jahren möglich machten – und haben dafür das Genom der Armleuchteralge Chara braunii analysiert. Diese Süßwasseralge gehört zu den engsten heute lebenden Verwandten der Landpflanzen. „Ihr Erbgut kann uns daher verraten, welche Eigenschaften heutiger Landpflanzen wirklich neu entstanden sind“, konstatiert Mitautor Charles Delwiche von der University of Maryland in College Park. Die Vergleiche mit Genomen von mehreren Landpflanzenarten zeigten: „In den Genen der Alge sind schon zahlreiche evolutionäre Innovationen angelegt, die bislang ausschließlich den Landpflanzen zugeschrieben wurden“, berichtet Teammitglied Rainer Hedrich von der Universität Würzburg. „Das bedeutet, dass einige wichtige Eigenschaften der Landpflanzen viel älter sind als gedacht. Sie entstanden, bevor die ersten Pflanzen überhaupt das Wasser verließen“, ergänzt Stefan Rensing von der Universität Marburg.

Zu einer dieser für das Landleben bedeutenden Eigenschaften gehört die Produktion des Stresshormons Abscisinsäure. Es wird bei heutigen Pflanzen als Reaktion auf Trockenheit ausgeschüttet und sorgt dafür, dass sie auf einen Wassersparmodus umschalten. Für die Alge Chara ist eine solche Regulation aus offenkundigen Gründen überflüssig. Trotzdem sind in ihren Genen bereits die frühen Syntheseschritte für das Phytohormon angelegt, wie die Analysen ergaben. Von den passenden Hormonrezeptoren findet sich dagegen noch keine Spur. Genau anders herum sieht es bei dem Botenstoff Ethylen aus, der bei Pflanzen vielfältige Prozesse wie die Blütenentwicklung, die Fruchtreifung und den Blattabwurf steuert: Chara kann dieses Hormon bereits registrieren. Ihr fehlen aber einige Gene, um es selbst zu produzieren.

Komplexe Zellwand

Daneben stellten die Forscher weitere Anpassungen fest, die die Armleuchteralge mit ihren Verwandten an Land gemein hat: So besitzt sie schon die meisten Gene, die bei Landpflanzen für die Aufnahme und Verteilung von Nährstoffen wichtig sind. Außerdem sind auch die Zellteilung und der Aufbau der Zellwand bereits Landpflanzen-typisch. „Ähnlich wie Landpflanzen führen die Armleuchteralgen eine Zellteilung durch, bei der spezielle Proteine eine Zellplatte zusammensetzen. Diese entwickelt sich dann zur neuen Querwand“, schreibt das Team. Die komplexe Zellwand gilt als eine Schlüsselanpassung für das Leben an Land. Sie schützt die Zelle unter anderem vor Austrocknung und hilft Pflanzen, auch unter dem Einfluss der Schwerkraft stabil zu wachsen.

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Quelle: Tomoaki Nishiyama (Kanazawa Universität, Japan), Cell, doi: 10.1016/j.cell.2018.06.033

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