Pflanzen einmal anders

Manche Pflanzen- und Algenarten, betreiben keine Photosynthese. Nebeneffekt: sie können auch ihr Plastiden-Genom verlieren. Noch sind die Hintergründe nicht vollständig aufgeklärt. Neue Ergebnisse wurden in einer aktuellen Studie vorgestellt und geben Einblicke in dieses Phänomen.

Chloroplasten gehören zur Gruppe der Plastiden, kleine, eigenständige Einheiten (Organellen), die im Inneren einer lebenden Zelle bestimmte Funktionen erfüllen. Ein wichtiges Charakteristikum dieser Organellen ist, dass sie ein eigenes Genom, das Plastom, besitzen. Mit dieser Besonderheit stehen die Struktureinheiten des „Blattgrüns“ nicht alleine da. Ebenso wie diese besitzen die in den Zellen vorhandenen Mitochondrien ihr eigenes Genom/Plastom.

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Das in den Chloroplasten enthaltene Chlorophyll ist für die Photosynthese zuständig und gibt der Pflanze ihre grüne Farbe. Bisher ging man davon aus, dass die DNA in den Chloroplasten für die Pflanze auch abseits der Photosynthese unverzichtbar ist. Umso erstaunter waren zwei Teams von Wissenschaftlern, als sie feststellten, dass bei den untersuchten Pflanzen- und Algenarten, die auf Chlorophyll verzichten, zugleich auch das Genom verschwunden war.

Leben ohne Chlorophyll

Generell unterscheidet man bei Lebewesen autotrophe Arten, die Licht oder chemische Verbindungen als Energiequelle nutzen, um selbst Kohlenhydrate herzustellen. Organismen, die das Licht nutzen, nennt man photoautotroph. Heterotrophe Lebewesen nutzen bereits vorhandene Stoffe wie Glucose zur Energiegewinnung, zum Beispiel viele Bakterienarten, Pilze oder Tiere. Die jetzt untersuchten Grünalgenarten der Gattung Polytomella sind heterotroph: Sie leben im Süßwasser und haben in ihren Plastiden kein Chlorophyll, weshalb sie unter dem Mikroskop farblos erscheinen.

Pflanzen gehören zu den photoautotrophen Organismen, da sie Kohlenhydrate mit Hilfe von Licht aufbauen. Allerdings gibt es auch da Ausnahmen: Pflanzen, die andere Pflanzen parasitieren. Sie beziehen ihre Kohlenhydrate nicht über Photosynthese, sondern entziehen sie ihrem Wirt. Da Photosynthese nicht mehr nötig ist, wurde der Chlorophyll-Anteil bei diesen Vollparasiten im Laufe der Evolution stark reduziert. Der Chloroplast verliert damit seine ursprüngliche Funktion. Solche Parasiten erscheinen manchmal in unscheinbaren Farben, wie etwa die Vogel-Nestwurz (Neottia nidus-avis), eine einheimische, bräunliche Orchideen-Art. Zudem sind oftmals die Blätter dieser Parasiten reduziert. Die jetzt auf ihr Plastidengenom genauer untersuchte, ebenfalls parasitisch lebende Pflanzenart Rafflesia lagascae geht sogar noch einen schritt weiter. Sie besteht nur noch aus einer großen, roten Blüte, die einen Geruch nach faulendem Fleisch verströmt.

Da fehlt doch was

Unabhängig voneinander haben jetzt zwei Forscherteams Rafflesien und die Grünalge Polytomella ohne Blattgrün untersucht. Beide Forscherteams stellten fest, dass diese Arten auch keine Plastiden-Genome mehr besaßen. Bei Rafflesia lagascae fanden die Wissenschaftler plastidartige Strukturen, aber keine Spur eines entsprechenden, intakten Genoms. Das einzige, was sie entdecken konnten, waren 46 Fragmente von Plastiden-DNA. Diese ergaben jedoch keine vollständigen Gene mehr. Zudem waren die Fragmente durchsetzt von Mutationen, so dass sie auch als komplette Gensequenzen funktionsuntüchtig gewesen wären. Bei etwa einem Drittel der Fragmente vermuteten die Forscher, dass sie ohnehin zur parasitierten Wirtspflanze, einer weinartigen tropischen Kletterpflanze, gehören.

Bei der Untersuchung der Grünalgen entdeckte ein anderes Forscherteam, dass diese im Zellkern Proteine synthetisierten, die normalerweise in den Plastiden Verwendung finden, aber dass keins dieser Proteine bei der Expression von Plastiden-Genen genutzt wurde – ein Zeichen, dass auch hier die entsprechende Plastiden-DNA nicht existiert.

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Ein großes Fragezeichen

Warum das so ist, bleibt erst einmal ein großes Rätsel. Denn nicht alle Pflanzenarten, die ohne Photosynthese auskommen, haben gleichzeitig auch ihr Plasmid-Genom verloren. Oftmals ist dieses noch stark reduziert vorhanden.Untersucht wurden auch die Organe von Photosynthese betreibende Pflanzen, die nicht zur Photosynthese genutzt, etwa Wurzeln. In diesen Organen wurde eine große Menge an Plastiden-DNA nachgewiesen. Dies ist kein grundlegend neues Wissen, da jeder das Phänomen kennt, dass bestimmte Pflanzenteile, die nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt waren, unter Lichteinfluss ergrünen. Wenn in diesen Organen eine Vorstufe des Chlorophyll angelegt ist, müssen diese auch Plastiden enthalten. In diesen Fällen spricht man von Pro-Plastiden.

Zudem gibt es die Theorie, dass die Plastiden-DNA für die Pflanzen noch andere wichtige Funktionen abseits der Photosynthese erfüllt, etwa bei der Synthese von Hämen, einer eisenhaltigen Stoffgruppe, die als Bausteine verschiedener Proteine eine wichtige Rolle spielen. Aber anscheinend sind diese Funktionen für die untersuchten Organismen nicht so entscheidend oder sie wurden anderweitig ersetzt. Bei Rafflesia vermuten die Forscher, dass sich ihr Parasitismus in der späten Kreidezeit entwickelte, so dass sie genug Zeit hatte, schrittweise ihr nicht mehr benötigtes Plastiden-Genom loszuwerden und eventuell wichtige Gene in andere DNA-Stränge im Zellkern einzubauen. Dieser Gentransfer von den Plastiden in den Zellkern, ist ein seit längerem bekanntes Phänomen und führt dazu, dass die Plastidengenome im Laufe der Evolution kleiner werden.

Polytomella-Algen sind bekannt dafür, dass in ihren Mitochondrien nur noch ein sehr kleines Rest-Genom besitzt. Daher vermuten die Forscher, dass sie generell dazu neigen, Gene in ihren Organellen zu verlieren.Bleibt die Frage, was mit der DNA passiert ist. Sie könnte abgebaut oder in die Kern-DNA bzw. die mitochondriale DNA integriert worden sein. Um das Rätsel zu lösen, hoffen die Wissenschaftler, dass möglichst viele andere Teams mit in die Suche einsteigen und mithelfen, um das vermisste Genom vielleicht doch noch zu finden. Oder es klärt sich auf, wie und warum es verschwunden sein könnte.