Konservierter Takt der Gene

Photosynthese-betreibende Organismen haben früh gelernt, ihre Stoffwechselprozesse und Genaktivitäten an den Tagesrhythmus anzupassen. Dieser Rhythmus ist in den letzten 1,5 Milliarden Jahren erstaunlich konstant geblieben.

Alle Archaeplastida (z. B. Rotalgen, Grünalgen, Pflanzen) besitzen photosynthetisch aktive Plastiden mit Chlorophyll a als Hauptfarbstoff. Am Anfang des Stammbaums der Archaeplastida steht ein einzelnes Ereignis: die Endosymbiose zwischen einem Vorläufer der Eukaryoten und einem Cyanobakterium. Seitdem besitzen die Nachkommen dieser fusionierten Zelle Protoplasten, mit denen sie Photosynthese betreiben. Ihr Energiehaushalt fluktuiert im Hell-Dunkel-Rhythmus des Tagesverlaufs. Dementsprechend haben die Organismen gelernt, hell und dunkel zu erkennen und eine circadiane Rhythmik entwickelt.

Genaktivität folgt dem Tagesverlauf

Nicht nur Gene, die mit der Photosynthese zusammenhängen, sondern auch viele andere Gene des Stoffwechsels folgen in ihrer Aktivität daher einem festen täglichen Muster. Heute umfassen die Archaeplastida jedoch nicht nur einzellige Grünalgen, sondern auch alle Landpflanzen. Die Unterschiede, die sich im Laufe Hunderter Millionen Jahre zwischen diesen Organismen entwickelt haben, sind enorm. Aber hat sich auch die Abhängigkeit der Genaktivitäten vom Tagesrhythmus verändert? Immerhin gewinnen selbst die unterschiedlichsten Archaeplastida ihre Energie nach wie vor mittels Photosynthese.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Pflanzenphysiologie in Potsdam und der Universität Potsdam sind gemeinsam mit internationalen Kollegen dieser Frage nachgegangen. Dazu haben sie neun entfernt verwandte Vertreter der Archaeplastida ausgewählt – darunter auch die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana – und deren Transkriptome im Verlauf des Tag-Nacht-Zyklus‘ analysiert. Mit anderen Worten: Die Forscher haben im Zwei-Stunden-Takt verglichen, welche Gene der jeweiligen Art zu welcher Tageszeit wie aktiv sind.

Je älter, desto rhythmischer

Die Biologen stellten fest, dass trotz der teils enormen evolutionären Abstände die von der Tageszeit abhängigen Transkriptionsmuster bei allen neun Archaeplastida sehr ähnlich sind. Homologe Gene erreichten ihre maximale Expression zur selben Tageszeit. Weder die unterschiedliche morphologische Komplexität der Organismen noch die Unterschiedlichkeit ihrer Habitate änderte daran etwas. Je nach Art zwischen fünf und 55 Prozent aller Gene wurden rhythmisch exprimiert.

Insbesondere die Expression der Gene der circadianen Rhythmik zeigte sich artübergreifend evolutionär stark konserviert. Trotzdem ergab sich ein klarer Trend: Je älter eine Art war, desto höher war der Anteil rhythmisch regulierter Gene. Gleiches galt für die Gene: je älter, desto rhythmischer die Expression.

Die Fichte war die Art mit nur fünf Prozent, die sich damit als Ausreißer der Studie erwies. Mögliche Erklärungen dafür wären, dass die Rhythmik der Fichtengene in anderen Entwicklungsphasen, bei anderen Temperaturen oder bei anderen Tageslängen als denen während der Studie stärker ausgeprägt sein könnte. Vielleicht bietet sich durch die schwach getaktete Genaktivität aber auch ein noch unbekannter Vorteil in der Umwelt der Fichten.

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Führt Komplexität zu anderen Regulationsformen?

Die Forscher fanden aber neben den Gemeinsamkeiten der Archaeplastida auch zwei grundlegende Unterschiede: Bei einzelligen, also besonders urtümlichen Algen, folgten so fundamentale Prozesse wie die Zellteilung und auch die meisten regulatorischen Wege einem festen, lichtabhängigen Tagesrhythmus.

Im Gewebe mehrzelliger Landpflanzen gab es dieses Muster bei den Genen der Zellteilung nicht mehr. Die Expression dieser Gene erfolgte weitaus gleichförmiger und könnten damit lichtabhängig reguliert sein. Das wäre plausibel erklärbar: Mehrzellige Organismen weisen weit komplexere regulatorische Mechanismen auf, die eine Entkoppelung einzelner Gene von der tageszeitabhängigen Expression erforderlich gemacht haben könnten.

Zusätzlich waren die Spitzen der Expression vieler wichtiger Gene bei Mehrzellern breiter. Auch das könnte durch eine weniger ausgeprägte Abhängigkeit vom Tagesrhythmus erklärt werden – aber ebenso durch das Gegenteil: Die unterschiedlichen Gewebe könnten individuelle lichtabhängige Regulationsmechanismen gebildet haben, die nicht synchron aktiv sind.

Expressionszeitpunkte vieler Gene stark konserviert

„Unsere Befunde zeigen, dass die meisten Mitglieder der Archaeplastida mehr als ein Drittel ihrer Gene einer vom Tagesrhythmus abhängigen Expression unterwerfen“, resümieren die Autoren der Studie. Zwar korreliere der Grad der Rhythmik mit dem Alter der Genfamilien. Die Zeitpunkte der jeweiligen Expression seien jedoch über 1,5 Milliarden Jahre Evolution bei allen Archaeplastida gleich geblieben, wenngleich deren Peak teilweise um wenige Stunden versetzt sei.