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Umwelt+Natur

Das Geheimnis der Pflanzenevolution

Pflanzen
Wie entstand die Vielfalt im Pflanzenreich? (Bild: Eric Zamora/ Florida Museum)

Von Moosen über Farnen bis hin zu Bäumen: Pflanzen haben im Laufe ihrer Evolution erstaunlich vielfältige Formen hervorgebracht. Forscher haben nun neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie diese Artenvielfalt zustande gekommen ist. Ihre Analyse der aktiven Gene von über 1000 Pflanzenspezies offenbart, welche Rolle die Vervielfältigung von genetischem Material für die Entwicklung neuer Eigenschaften spielte – und gibt neue Einblicke in die Verwandtschaftsverhältnisse im Pflanzenreich. Von den Ergebnissen sollen künftig auch Landwirtschaft und Medizin profitieren.

Die Besiedlung des Landes durch die ersten Pflanzen war einer der folgenreichsten und wichtigsten Schritte der Evolution auf unserem Planeten. Denn mit der Entwicklung der Vegetation auf den zuvor noch kahlen Landmassen veränderten sich die geochemischen Kreisläufe, neue ökologische Nischen entstanden und in der Atmosphäre nahm der Sauerstoffgehalt zu und der Kohlendioxidgehalt ab. Letztendlich schufen die Pflanzen mit diesem Sprung vom Wasser aufs Land auch die Voraussetzung für unser Leben.

Seitdem sich urzeitliche Grünalgen vor rund einer Milliarde Jahren in zwei unterschiedliche Abstammungslinien aufspalteten, hat die Pflanzenwelt eine enorme Diversifizierung erfahren: „Aus einer dieser Linien entwickelten sich später Blütenpflanzen, Landpflanzen und verwandte Algengruppen, die andere umfasst eine Reihe von Grünalgen“, sagt James Leebens-Mack von der University of Georgia. Heute leben zwischen 450.000 und 500.000 Arten auf der Erde, die wichtige Funktionen in den Ökosystemen an Land und im Wasser übernehmen. Doch wie kam diese erstaunliche Artenvielfalt zustande? Ein internationales Forscherteam wollte mehr über die genetischen Grundlagen der Pflanzenevolution herausfinden und hat ein wahres Mammutprojekt gestartet: die „One Thousand Plant Transcriptome Initiative“.

Aktive Gene im Blick

Die Wissenschaftler analysierten die Genexpression von 1147 Landpflanzen- und Algenspezies – darunter Grünalgen, Moose, Bärlappgewächse, Farne, Nacktsamer und Blütenpflanzen. „Manche dieser Arten sind vor mehreren hundert Millionen Jahren entstanden. Doch erst heute haben wir die Werkzeuge, um zurückzuschauen und zu sehen, was damals passiert ist“, sagt Mitautor Marcel Quint von der Martin-Luther-Universität in Halle-Wittenberg. Ihre Analyse von Genen und Genfamilien zeigt so detailliert wie niemals zuvor, wie der Stammbaum der Pflanzen aussieht und welche genetischen Veränderungen seiner Aufzweigung zugrunde lagen.

Die Ergebnisse offenbarten unter anderem, wann bestimmte Pflanzenlinien ihr Genom verdoppelten oder sich einzelne Genfamilien vervielfältigten. Solche Prozesse gelten als ein wesentlicher Treiber evolutionärer Innovationen im Pflanzenreich. „Denn steht signifikant mehr genetisches Material zur Verfügung, gibt es mehr Kapazitäten, um neue Eigenschaften zu entwickeln“, erklärt Quint. Verfügt eine Pflanze etwa über zwei Kopien eines Gens, kann eine Kopie allmählich eine neue Funktion übernehmen. Dies erleichtert die Anpassung an neue Umweltbedingungen und Lebensräume.

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Innovation durch Vervielfältigung

„Bisher dachten wir, dass die größte genetische Expansion beim Übergang zu den Blütenpflanzen stattfand. Schließlich macht diese Gruppe einen Großteil der heute lebenden Spezies aus“, berichtet Quints Kollege Martin Porsch. Doch die Daten enthüllten: Diese Expansion passierte bereits viel früher – und zwar an einem entscheidenden Punkt in der Pflanzenevolution. So fanden die Forscher heraus, dass ein enormer Sprung in der Genvielfalt zum Beispiel kurz vor der Entstehung der ersten Gefäßpflanzen stattfand – Landpflanzen mit spezialisierten Leitbündeln für den Transport von Wasser und Nährstoffen. „Der Übergang vom Wasser aufs Land war eine der größten Herausforderungen für die Pflanzen“, berichtet Porsch. „Wir haben einen enormen Anstieg der genetischen Vielfalt zur Zeit dieses Übergangs festgestellt. Danach erreichte sie bald ein Plateau.“

Die Wissenschaftler wiesen zudem nach, dass sich bestimmte Genfamilien wie die für die Blütenentwicklung verantwortlichen MADS-Box-Gene im Laufe der Evolution mehrmals unabhängig voneinander vervielfältigt haben. Demnach haben sich diese Gene etwa in Farnen und Samenpflanzen jeweils separat vervielfältigt und weiterentwickelt. „Wir lernen daraus, dass die Evolution nicht unbedingt eindimensional linear verläuft, sondern dass gleiche Entwicklungsstufen manchmal auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden“, konstatiert Mitautor Günter Theißen von der Universität Jena.

Eng verwandte Moose

Ein weiterer interessanter Befund: Die Daten bestätigen, dass alle heute lebenden Moose – Laubmoose, Lebermoose und Hornmoose – eine einzige Verwandtschaftsgruppe bilden und enger miteinander verwandt sind als mit jeder anderen Pflanzengruppe. Damit klärt die Analyse eine der bisher umstrittensten Fragen rund um die Evolution der Landpflanzen. Und sie zeigt, dass Evolution nicht zwangsläufig komplexere Lebensformen hervorbringt. So verdanken die im Vergleich zu den Laubmoosen sehr urtümlich erscheinenden Lebermoose ihr Aussehen vermutlich nachträglichen Vereinfachungen ihrer Gestalt. „Manchmal ist offenbar Reduktion ein evolutionärer Vorteil“, sagt Theißen.

Die neuen Daten erlauben jedoch nicht nur ein besseres Verständnis der Pflanzenevolution und der Verwandtschaft unterschiedlicher Pflanzengruppen. Nach Ansicht des Teams bergen sie auch Potenzial für Fortschritte in Landwirtschaft und Medizin. Denn mit der Identifizierung im Laufe der Zeit vervielfältigter Gene kann die Funktion dieser DNA-Abschnitte genauer verstanden werden – und das wiederum ebnet möglicherweise den Weg für die Zucht besserer Nutzpflanzen. Zudem könnten sich in dem Datensatz Ausgangsstoffe für potenzielle Heilmittel verbergen: „Wir hoffen, dass Mediziner in unserem genetischen Material Hinweise auf neue interessante Verbindungen finden“, sagt Douglas Soltis vom Florida Museum of Natural History.

Quelle: One Thousand Plant Transcriptome Initiative, Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1693-2

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