Die Schönsten erklären die Evolution

Orchideen sind eine der vielfältigsten Pflanzenfamilien. Forschen haben nun das erste Orchideengenom sequenziert, das einer Nachtfalter-Orchidee (Phalaenopsis equestris). Mit diesem hoffen sie, neue Einblicke in die Vielfalt der Orchideenfamilie auf molekularer Ebene und in die Evolution der Pflanzen zu erhalten.

Die Orchideenfamilie (Orchidaceae) ist mit ungefähr 26.000 Arten eine der vielfältigsten und weit verbreitesten Familien der Blütenpflanzen überhaupt. Variationen im Blütenaufbau, Stoffwechsel und der Lebensweise ermöglichten dieser Pflanzenart ihre unglaublich adaptive Verbreitung. Allerdings sind sie auch eine der am stärksten bedrohten Arten. Illegale Sammlungen und der Verlust angestammter Lebensräume sind Ursachen hierfür. Die meisten bisher sequenzierten Pflanzengenome sind die von Getreiden oder von Modellpflanzen. Das Genom der Nachtfalter-Orchidee repräsentiert zum ersten Mal die Orchideenfamilie, eine wichtige Art für die Aufklärung der Pflanzenvielfalt.

#####1#####

Die Nachtfalter-Orchidee ist sehr gut an ihren tropischen und warmen Lebensraum in Asien angepasst. In der Natur lebt Phalaenopsis epiphytisch, das heißt auf Bäumen und anderen Pflanzen. Aber auch Felsen (lithophytisch) stellen einen natürlichen Lebensraum dar. Ihre spärlich ausgebildeten Wurzeln dienen primär der Verankerung. Damit die Pflanzen ausreichend Wasser und Nährstoffe zur Verfügung haben, nutzen Nachtfalter-Orchideen den „Crassulaceen-Säurestoffwechsel“ (CAM) für die Photosynthese.

Natürliche Selektion durch Introns

Nun wo das Genom der Nachtfalter-Orchidee entschlüsselt ist, beginnt erst die Arbeit. Den Forschern konnte die Sequenz aber schon einige Geheimnisse enthüllen. Das Genom der Phalaenopsis ist mit 1,16 Gigabasenpaaren (Gb) ein mittelgroßes Exemplar, es ist jedoch immer noch neunmal größer als das der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Mit 29.431 proteinkodierenden Genen (Exons) zeigt die Genomsequenz ebenfalls nicht Neues, denn die meisten bisher sequenzierten Blütenpflanzen besitzen eine ähnliche Exongröße. Allerdings ist die Länge der Introns, die nicht proteinkodierenden Gene, im Hinblick auf das Gesamtgenom außergewöhnlich groß. Die Introns zwischen den einzelnen Exons weisen eine durchschnittliche Länge von über 2000 Basenpaaren (bp) auf. Im Vergleich: das Maisgenom ist doppelt so groß, die Introns jedoch im Durchschnitt nur halb so groß wie im Genom der Orchidee. Die Genomanalyse lässt in die Vergangenheit blicken.

Genomanalyse lässt in die Vergangenheit blicken

Weitere Analysen der Sequenz ergaben, dass der Hauptteil des Genoms (62 %) doppelt vorliegt. Eine Verdopplung von Genen kann durch springende Gene (Transposon) verursacht werden. Beim Springen können ganze Genabschnitte an einen anderen Ort im Genom kopiert und integriert werden. Eine andere Ursache für eine Verdopplung liegt in der sogenannte Vervielfältigung des gesamten Genoms (whole-genome-duplication=WGD). Polyploidie ist bei Blütenpflanzen ein häufig anzutreffendes Phänomen. In ihrer Analyse konnten die Forscher beweisen, dass auch Orchideen einem solchen Event der Gesamtgenomvervielfältigung unterlagen. Mithilfe von Abstammungs-Analysen (Phylogenese) konnte auch der Zeitpunkt analysiert werden. Wie auch bei anderen Blütenpflanzen ereignete sich diese beim erdgeschichtlichen Übergang von der Kreidezeit in den Tertiär. Diese Zeitgrenze markiert ein wichtiges geologisches Ereignis, bei dem ein extremer Flora- und Faunenwechsel stattgefunden hat. Laut der Forscher verhalf diese Polyploidie den Orchideen zu ihrer bemerkenswerten Variation und ließ diese zur heute zweitgrößten Familie bei den Blütenpflanzen werden.

#####2#####

Blütenvielfalt wie keine andere

Ausdruck dieser Vielfalt in der Orchideenfamilie ist deren Vielfalt an Blütenformen. Für die Blütenentwicklung sind bestimmte Gene, die MADS-box Gene, verantwortlich. Die Forscher haben sich diese im Genom der Nachtfalter-Orchidee genauer angeschaut und mit anderen Arten verglichen. Überraschend für sie war, dass die Anzahl von MADS-box Genen deutlich geringer ist als zum Beispiel beim Reis. Das Getreide ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit. Eine bedeutende ornamentale Pflanze ist Reis jedoch mitnichten.  Bei dem Vergleich der MADS-box Gene war auffällig, dass bei der Nachtfalter-Orchidee wichtige Gene für die Wurzel- und Blütenbildung in der Evolution verloren gegangen sind. Neugefundene Verbindungen von Genklassen weisen darauf hin, dass die Phalaenopsis nicht über die Anzahl der MADS-box Gene, sondern über deren Kombination einen anderen Mechanismus zur Differenzierung gewählt hat. Das dieser sehr erfolgreich war, beweist die große Vielfalt und Andersartigkeit der Blütenformen.

Anpassung auf allen Ebenen

Die Genomsequenz der Nachtfalter-Orchidee ist aber nicht nur für Blumenliebhaber von Interesse. Das Genom offenbart wichtige Einblicke in die Evolution der CAM Pflanzen, zu denen auch diese Orchidee gehört. Beim Vergleich homologer Gene, d.h. Gene unterschiedlicher Pflanzenarten die eine ähnliche Basensequenz und vermutlich einen gemeinsamen Vorfahren haben, fanden die Forscher Gen-Duplikationen und Verluste in den CAM Genen innerhalb der Orchideenlinie. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Genduplikation zur Entwicklung der CAM Photosynthese in der Nachtfalter-Orchidee beigetragen haben. Damit zeigen die Forscher, dass neben der Verdopplung ganzer Genome auch die Vervielfältigungen einzelner Genen eine wichtige Rolle in der Evolution spielt.

Auch in die Molekularbiologie von Trockenstresstoleranz und effizienteren Wassernutzungsmechanismen gibt die Genomsequenz der Nachtfalter-Orchidee wichtige Einblicke. Es wird deutlich, das von den an der Orchidee gewonnen Erkenntnissen viele andere Bereiche der Pflanzenforschung profitieren und sogar für die praktische Landwirtschaft wichtige Aspekte berührt werden.