Bioinformatik revolutioniert Evolutionsbiologie

28.04.2011 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Bioinformatik ermöglicht Berechnung des Stammbaums der Blütenpflanzen. (Quelle: © iStockphoto.com/Tatiana Popova)
Bioinformatik ermöglicht Berechnung des Stammbaums der Blütenpflanzen. (Quelle: © iStockphoto.com/Tatiana Popova)

Der weltweit größte Stammbaum der Pflanzen wurde berechnet. Mit diesem „BigPlant-Tree“ kann gezeigt werden, dass die Entstehung neuer Pflanzenarten nicht unmittelbar mit der Ausprägung neuer Merkmale zusammenhängt. Eine schnelle Artbildung tritt vielmehr erst dann ein, wenn sich anfängliche Innovationen bewährt haben.

Die Bedecktsamer (Angiospermen bzw. Blütenpflanzen) sind mit über 250.000 Arten die größte und erfolgreichste Pflanzengruppe weltweit (90% aller Pflanzenarten). Sie dominiert heute fast alle Ökosysteme und  besiedelt alle Kontinente bis hin zur Antarktis. Doch wie lässt sich der evolutionäre Erfolg dieser Blütenpflanzen  erklären? Und wie verteilt sich die biologische Vielfalt innerhalb der einzelnen Pflanzenfamilien in dieser Klasse?

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Der "BigPlantTree" in einer kreisförmigen Anordnung. Visualisierungstool: NSF iPlant Collaborative.

Quelle: © Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH

Größten Stammbaum der Pflanzen berechnet

Ein Forscherteam hat den Prozess der Artbildung bei den Blütenpflanzen unter die Lupe genommen. Sie analysierten die molekularen Daten von sechs großen Familien der Angiospermen, darunter die artreichsten Familien der Süßgräser (Poaceae), Orchideengewächse (Orchidaceae), Korbblütler (Asteraceae) und Hülsenfrüchtler (Fabaceae) sowie die Großgruppen der Eudikotyledonen („Echte Zweikeimblättrige“) und Monokotyledonen („Einkeimblättrige“). Auf diese Weise konnten 99 Prozent aller Blütenpflanzen in die Analyse einbezogen werden. 

Auf der Basis von Verwandtschaftshypothesen rekonstruierten die Wissenschaftler mit Hochleistungsrechnern den bisher größten Stammbaum der Pflanzen: Er umfasst 55.473 Arten der Angiospermen. 

Meilenstein in der Evolutionsbiologie 

Die Berechnung eines Stammbaums dieser Größe stellt bereits aus technischer Sicht einen Meilenstein in der Evolutionsbiologie beziehungsweise der evolutionären Bioinformatik (siehe auch Studium Bioinformatik) dar und eröffnet der Forschung bisher unerreichte Einsichten in den Stammbaum des Lebens. Die Studie zeigt damit auch, wie wichtig die Informatik und entsprechende Initiativen zur elektronischen Vernetzung und Bereitstellung molekularer Daten über das World Wide Web inzwischen für die Biologie sind.

Erfolgsaussichten entscheidend für die Artbildung

Mit ihrem „BigPlantTree“ konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ausbildung neuer physikalischer Eigenschaften oder Mechanismen nicht unmittelbar zu einer Differenzierung in neue Arten führt, wie bisher angenommen wurde. Die Analysen zeigen, dass die Veränderungen der Diversifizierungsrate in vielen Fällen nicht direkt am Ursprung (dem gemeinsamen Vorfahren) einer Pflanzenfamilie liegen (z.B. bei den Orchideengewächsen und Korbblütler). Vielmehr konnten zeitlich verzögerte Diversifizierungssprünge innerhalb der Evolution der einzelnen Pflanzenfamilien festgestellt werden. 

Die großen Familien der Blütenpflanzen erzeugten erst dann erfolgreich neue Arten, wenn sie einen Entwicklungsstand erreicht hatten, der die Erfolgsaussichten einer schnellen und erfolgreichen Artbildung steigerte und die Gefahr des Artensterbens somit senkte. 

Bevor sich die Familien weiter ausdifferenzierten, schienen sie zunächst mit ihrem Aufbau und ihrer Leistungsfähigkeit zu „experimentierten“. Erst als sich die neuen Merkmale stärker ausgebildet und stabilisiert  hatten,  verhalf die Evolution einer Kombination dieser Merkmale zu einer ausgeprägten Artbildung. Im Ergebnis begannen sich die Familien sehr schnell zu diversifizieren. Die Rate der Artbildung (Diversifizierungsrate) verändert sich im Verlauf der Zeit stark. Eine exakte Zeitbestimmung dieser explosionsartigen Artentwicklung ist allerdings nur schwer möglich. 

Viele kleine evolutionäre „Ausbrüche“ 

Die Vielfalt der großen Familien der Blütenpflanzen entsteht nach Angaben der Forscher wahrscheinlich durch das Zusammenspiel vieler kleinerer evolutionärer „Ausbrüche“ innerhalb der jeweiligen Familie. Sie lässt sich nicht ausschließlich durch einige grundlegende Veränderungen der Diversifizierungsraten erklären. 

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So sieht die Analyse großer Stammbäume aus: Ausschnitt des "BigPlantTree". Visualisierungstool: NSF iPlant Collaborative.

Quelle: © Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH

Eine explosionsartige Artbildung könnte durch interne und/oder externe Faktoren befördert werden. Beispielsweise haben Pflanzen, die schneller als andere wachsen, einen bedeutenden Vorteil gegenüber anderen Arten. Auch eine bessere Anpassungsfähigkeit an klimatische Veränderungen oder die Ankunft bestäubender Insekten können zu Konkurrenzvorteilen werden. Diese Einflussfaktoren wollen die Wissenschaftler nun weiter untersuchen. 

Die Analysen deuten darauf hin, dass bei den Blütenpflanzen viele lokale „Ausbrüche“ in der Artbildung relativ gleichmäßig über den Stammbaum verteilt sind. Dieses Phänomen könnte zur enormen Biodiversität und damit zum Erfolg der Blütenpflanzen beigetragen haben, erklären die Forscher. 

Forschung noch in den Kinderschuhen

Mit Unterstützung der Bioinformatik können Evolutionsbiologen umfassende Stammbäume in der dargestellten Größenordnung berechnen und analysieren. Hierdurch wird die Beantwortung neuer wissenschaftlicher Fragestellungen möglich. Neue Methoden, wie z.B. das „Breeding by Design“, also eine Züchtung analog einem Legobaukasten, bedarf dieser evolutionären Vielfalt. Die Vielfalt muss jedoch auch präzise verstanden werden, um sie gezielt nutzten zu können. Somit ist die Evolutionsbiologie gleichermaßen Grundlagenforschung und eine auf Anwendung orientierte Forschung. 

Die Forschung in diesem Bereich steckt noch in den Kinderschuhen.  Neue statistische und computerbasierte Methoden werden benötigt, um die enormen Datenmengen zu handhaben. Bisherige Verfahren haben zudem noch große methodische Schwachstellen, die eine Interpretation der Ergebnisse erschweren. Weitere Studien sind nötig, um reale Veränderungen in der Diversifizierungsrate von statistischen Fehlern zu trennen und so statistische Rückschlüsse auf die Evolution der Blütenpflanzen zu ermöglichen. 

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