Das Pflanzenreich hat einen gemeinsamen Vorfahren

21.02.2012 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Das Genom einer Glaucophyta-Alge lieferte neue Ergebnisse zur Stammesgeschichte des Pflanzenreiches. (Quelle: © NEON ja/ Wikimedia.org; CC BY-SA 2.5)
Das Genom einer Glaucophyta-Alge lieferte neue Ergebnisse zur Stammesgeschichte des Pflanzenreiches. (Quelle: © NEON ja/ Wikimedia.org; CC BY-SA 2.5)

Eine Genomanalyse der Grünalge Cyanophora paradoxa liefert neue Beweise für einen gemeinsamen Ursprung aller Pflanzen. Die Studie kippt damit die sogenannte „Non-Plantea-Hypothese“ und gibt Hinweise darauf, wie der erste pflanzliche Einzeller ausgesehen haben könnte.

Vor mehr als einer Milliarde Jahre geschah ein zellbiologisches Ereignis, das das Leben auf der Erde für immer veränderte. Ein tierischer Einzeller verschluckte ein Bakterium, das mit Farbstoffen Licht einfing und diese Energie zur Herstellung von Kohlenhydraten nutzen konnte. Statt verdaut zu werden, evolvierte dieses sogenannte Cyanobakterium im Zellinneren des Einzellers weiter und läutete die Geburtsstunde der ersten Pflanzenzellen ein. Es entstanden die Zellorganellen der Photosynthese, die in allen Pflanzenzellen als Plastiden oder Chloroplasten vorkommen.

Unklar war bislang jedoch, ob alle Pflanzen ihre Plastiden nur von einem einzigen Vorfahren geerbt haben. Denn laut der non-Plantea-Hypothese könnte sich die Symbiose zwischen Einzeller und Bakterium auch mehrmals wiederholt haben. Unterschiedliche Pflanzengruppen wie beispielsweise die Grünalgen, die Rotalgen und die Landpflanzen, wären demnach unabhängig voneinander entstanden.

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Schema des urprünglichen Einzellers Cyanophora paradoxa. Durch Aufnahme von Cyanobakterien entstanden in den ersten Algen Mitochondrien, der Zellkern und Plastiden. (Quelle: ©Science/ AAAS)

Schema des urprünglichen Einzellers Cyanophora paradoxa. Durch Aufnahme von Cyanobakterien entstanden in den ersten Algen Mitochondrien, der Zellkern und Plastiden. (Quelle: ©Science/ AAAS)



In dem Genom der einzelligen Alge Cyanophora paradoxa stießen Wissenschaftler jetzt auf Hinweise, die einen einzigen gemeinsamen Ursprung aller Pflanzen untermauern. Die einzellige Alge gehört zur Gruppe der sogenannten Glaucophyta, einer primitiven Algengruppe, in der Forscher bislang eine Art lebendes Fossil sahen. C. paradoxa, so wird vermutet, gehörte zu den ersten Algenarten, die diesen Planeten bewohnten. In dem Genom der Alge fanden die Forscher auch Cyanobakterien-Gene, die die ursprüngliche Aufnahme des Bakteriums belegen. Dazu gehörten Gene, die wichtige Enzyme für die Stärkeproduktion, die alkoholische Gärung oder für den Transport von Proteinen verschlüsseln. Im Laufe der Evolution sind diese Gene aus den Plastiden in das Genom des Zellkerns übertragen worden.

Auch in anderen Algenarten und höheren Landpflanzen fanden die Wissenschaftler genetische Relikte des Bakteriums. In der Ackerschmalwand, einer der bekanntesten Pflanzen für die Laborforschung, stammen beispielsweise 18% aller Gene des Zellkerns aus dem aufgenommenen Cyanobakterium. Insgesamt analysierten die Wissenschaftler 28.000 C. paradoxa Gene, mit deren Hilfe sie Proteinstammbäume des Pflanzenreichs erstellten. Aus deren Übereinstimmungen schließen sie, dass alle Pflanzen aus einem gemeinsamen Vorfahren hervorgegangen sind. 

Aus den Ergebnissen ziehen die Wissenschaftler auch erste Schlüsse, wie der gemeinsame Pflanzenvorfahre ausgesehen haben könnte und funktionierte. Dieser besaß vermutlich Flagellen, um sich fortzubewegen und erste zelluläre Mechanismen, um Proteine in die Plastiden zu transportieren. Nachdem sie das Cyanobakterium aufgenommen hatte, verlor die erste Alge allerdings ihre Fähigkeit zur Phagozytose.

Durch die Ergebnisse hoffen die Forscher auch neue Erkenntnisse über grundlegende pflanzliche Mechanismen zu gewinnen, wie beispielsweise Proteintransport und Lichtsammlung und wie Pflanzengruppen diese im Laufe der Evolution verfeinert haben. Darüber hinaus liefert die Studie einen wichtigen Beleg für die Endosymbiontentheorie, die von der Biologin Lynn Margulis in den 60er Jahren wiederentdeckt und weiterentwickelt wurde. Schon damals postulierte die Wissenschaftlerin, dass alle tierischen und pflanzlichen Zellen aus einem „obskuren Einzeller“, der ein Bakterium aufnahm, hervorgegangen sind. Der Evolutionsbiologe Frederick Spiegel schreibt dazu im Fachmagazin Science: „Lynn Margulis starb im November 2011. Es ist sehr bedauerlich, dass sie die Veröffentlichung dieser Ergebnisse als Bestätigung ihrer Beharrlichkeit nicht miterleben konnte.“ 

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