Prof. Dr. Günter Theißen und Dr. Lydia Gramzow vom Matthias-Schleiden-Institut der Universität Jena

Zeitreise durch die Evolution der Landpflanzen

Internationales Forschungsteam veranschaulicht, wie sich die Pflanzen in mehr als einer Milliarde Jahren entwickelt haben.
Prof. Dr. Günter Theißen und Dr. Lydia Gramzow vom Matthias-Schleiden-Institut der Universität Jena
Foto: Anne Günther/FSU
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Meldung vom: 23. Oktober 2019, 19:00 Uhr | Verfasser/in: Ute Schönfelder

Es ist das Ergebnis eines Mammutprojekts, das die rund 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von mehr als 130 Forschungseinrichtungen aus aller Welt heute veröffentlichen. Über neun Jahre haben sie sämtliche aktiven Gene von mehr als 1.000 Grünalgen, Moosen, Bärlappgewächsen, Farnen, Nacktsamern und Blütenpflanzen mittels enormer Rechentechnik analysiert, Gene und Genfamilien in Stammbäumen angeordnet und die pflanzlichen Verwandtschaftsbeziehungen entschlüsselt. Anhand der vorgelegten Daten lässt sich so umfassend wie niemals zuvor nachvollziehen, wie und wann Pflanzen die Fähigkeit gewannen, der Schwerkraft trotzend in die Höhe zu wachsen oder Samen, Blüten und Früchte zu produzieren. Die Studie ist im renommierten Fachmagazin „Nature“ erschienen. Unter den Autoren ist auch ein Team der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Prof. Dr. Günter Theißen und Dr. Lydia Gramzow vom Matthias-Schleiden-Institut der Universität Jena haben in der Studie untersucht, wann bestimmte Gene, die für die Blütenentwicklung von Pflanzen verantwortlich sind, entstanden und sich im Laufe der Evolution vervielfältigt haben. Diese sogenannten MADS-Box-Gene kommen in allen Pflanzenfamilien vor, allerdings in unterschiedlicher Häufigkeit. „Die ursprünglichsten Vorfahren der heutigen Pflanzen waren im Wasser lebende Grünalgen“, erläutert Prof. Theißen. „Diese hatten weder Blüten noch Samen und auch nur ganz wenige MADS-Box-Gene“, so der Genetiker weiter. Im Laufe der Evolution sind aus diesen Urahnen die heutigen Landpflanzen hervorgegangen, darunter Moose, Farne und Samenpflanzen. Mit der wachsenden Vielfalt an Pflanzenarten sind auch Zahl und Vielfalt der MADS-Box-Gene gewachsen. Da MADS-Box-Gene wichtige Entwicklungsprozesse von Pflanzen steuern, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Anzahl und Diversität dieser Gene und der Komplexität und Vielfalt pflanzlicher Strukturen.

Expansive Genvermehrung

Dass die heute lebenden Pflanzen über unterschiedlich viele MADS-Box-Gene in ihrem Erbgut verfügen, war bereits länger bekannt. Während einfache Moose oder Bärlappgewächse im Schnitt weniger als zwanzig Kopien aufweisen, sind im Genom höher entwickelter Samenpflanzen 50 bis zu 300 verschiedene MADS-Box-Gene zu finden. „Man könnte daraus schließen, dass die Genvervielfältigung einfach eine Folge der Höherentwicklung der Pflanzen ist“, sagt Dr. Lydia Gramzow. Die Wissenschaftlerin hat im Rahmen der aktuellen Studie fast 30.000 Sequenzen untersucht und konnte diese Annahme widerlegen. „Wir haben herausgefunden, dass die Ausstattung mit MADS-Box-Genen das Ergebnis unabhängiger Genvervielfältigungen ist“, sagt Gramzow. Wie der von den Jenaer Forschern erstellte Stammbaum zeigt, der in der Nature-Publikation zu sehen ist, haben sich die MADS-Box-Gene etwa in Farnen und Samenpflanzen jeweils separat vervielfältigt und weiterentwickelt. „Beide Pflanzengruppen gehen auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück“, erläutert Prof. Theißen. Aus diesem haben sich in einer Linie die heutigen Farne und in einer anderen Linie die Samenpflanzen entwickelt. „In beiden Linien haben sich MADS-Box-Gene unabhängig und unterschiedlich oft verdoppelt. Wir vermuten, dass es vier verschiedene Urgene gab, die vor etwa 380 Millionen Jahren im letzten gemeinsamen Vorfahren der heute lebenden Farne und Samenpflanzen vorhanden waren.“

Weniger ist manchmal mehr

Aus ihren Ergebnissen schlussfolgern die Genetiker, dass ähnliche Prozesse auch in anderen Genfamilien passiert sein könnten. „Wir lernen daraus zum einen, dass die Evolution nicht unbedingt eindimensional linear verläuft, sondern dass gleiche Entwicklungsstufen manchmal auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden“, fasst Prof. Theißen zusammen. Zum anderen zeige die Studie auch, dass Evolution nicht zwangsläufig komplexere Lebensformen hervorbringt. „Manchmal ist offenbar Reduktion ein evolutionärer Vorteil – ein Phänomen, dass z. B. von vielen Parasiten bereits gut bekannt ist“, sagt Theißen. So belegten die nun veröffentlichten genetischen Daten, dass beispielsweise alle heute lebenden Moose näher miteinander verwandt sind als mit jeder anderen Pflanzengruppe – das war bislang eine der umstrittensten offenen Fragen der Evolution der Landpflanzen. Die im Vergleich zu den Laubmoosen sehr ursprünglich erscheinenden Lebermoose verdanken ihr Aussehen vermutlich nachträglichen Vereinfachungen ihrer Gestalt.

 

Original-Publikation:

The One Thousand Plant Transcriptome Initiative “One Thousand Plant Transcriptomes and Phylogenomics of Green Plants”, Nature (2019), DOI: 10.1038/s41586-019-1693-2

Kontakt:

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Lydia Gramzow, Dr.
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