Von Grünalgen bis Blütenpflanzen

Pflanzen sind enorm vielfältig und haben sich an fast alle Umgebungen der Erde angepasst. Nun hat ein internationales Konsortium über 1.000 Pflanzenarten genetisch analysiert. Herausgekommen ist der bisher umfangreichste Stammbaum grüner Pflanzen. Er erlaubt Rückschlüsse bis zum Beginn des pflanzlichen Lebens vor über einer Milliarde Jahre: den ersten Algen.

Es war eine Mammutaufgabe: Die „One Thousand Plant Transcriptomes Initiative“ (kurz: 1KP) sequenzierte über 1.100 Pflanzen- und Algenarten, um die Evolution von grünen Pflanzen besser zu verstehen. Genauer gesagt, analysierten sie deren genetische Aktivitätsmuster, auch Transkriptom genannt. Darunter versteht man die Gesamtheit der zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle transkribierten Gene.

Es war ein neunjähriges Verbundprojekt, bestehend aus etwa 200 Forschenden aus der ganzen Welt, darunter auch Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). „Das Besondere an dem Projekt ist, dass erstmals nicht nur einzelne Teile, sondern die kompletten Transkriptome von mehr als eintausend Pflanzen analysiert wurden. Das setzt die Erkenntnisse auf ein viel größeres Fundament“, sagt der Bioinformatiker Ivo Große von der MLU. Ihre Ergebnisse erschienen nun in der angesehenen Fachzeitschrift „Nature“.

Neuer Stammbaum erstellt

Grüne Pflanzen (auch Viridiplantae oder Chloroplastida genannt) sind Pflanzen, die Photosynthese betreiben können. Das Chlorophyll in den Chloroplasten sorgt dabei für die namensgebende Farbe. Man kennt rund 450.000 - 500.000 Pflanzenarten. Doch noch sind nicht alle evolutionären Zusammenhänge vollumfänglich rekonstruiert. Um mehr Licht ins Dunkel zu bringen, wurden im Projekt ganz verschiedene Pflanzen aus terrestrischen und aquatischen Lebensräumen gesammelt und analysiert. Daraus entstand ein neuer zeitlicher und genetischer Abstammungsbaum, der die gesamte Evolutionsgeschichte der Pflanzen aufzeigt.

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Der Beginn der Vielfalt

Begonnen hat die Geschichte der grünen Pflanzen vor etwa einer Milliarde Jahre mit den ersten Grünalgen. Von hier spalteten sich zwei getrennte Evolutionslinien auf: Während sich zum einen daraus neue Arten von Grünalgen entwickelten, brachte die zweite Linie neue Algengruppen und später Landpflanzen hervor. Aus den Landpflanzen entwickelten sich schließlich auch Blütenpflanzen, der mit Abstand artenreichste Gruppe der Pflanzen, zu denen die Bedecktsamer mit über 370.000 Arten zählen.  

Die genetische Grundlage für die Artenvielfalt wurde den Ergebnisse der Studie zufolge schon sehr früh in der Geschichte gelegt: „Genetisch gesehen stellt der Übergang von den Wasser- zu den Landpflanzen den Ausgangspunkt für alle weiteren Entwicklungen dar. Dieser war die größte Herausforderung für Pflanzen, für den sie - genetisch gesehen - die meisten Innovationen benötigten“, erläutert Martin Porsch von der MLU. Wichtige pflanzliche Innovationen sind beispielsweise die Entwicklung von Blüten, Samen oder farblich auffälligen Früchten. „Im Grunde genommen war ab diesem Zeitpunkt schon fast das komplette genetische Material vorhanden, um die Artenvielfalt evolutionär hervorzubringen, wie wir sie heute erleben“, fasst Große zusammen.

Mehr Gene für neue Eigenschaften

Die deutschen Projektmitglieder der MLU untersuchten gezielt die Entwicklung bestimmter Genfamilien in den Pflanzen. Manche dieser Genfamilien haben sich im Laufe von Millionen von Jahren vervielfältigt. „Dies könnte eine Triebfeder für die Evolution der Pflanzen gewesen sein: Wenn die Pflanzen über deutlich mehr genetisches Material verfügen, setzt das neue Kapazitäten frei“, erklärt der Pflanzenforscher Marcel Quint, der zusammen mit Ivo Große das MLU-Teilprojekt innerhalb der 1KP leitete. Der Grund: Die zusätzlichen Gene können komplett neue Funktionen übernehmen und neue Merkmale hervorbringen. Interessant wird es, wenn sich das gesamte Genom einer Pflanze verdoppelt, wie es bei höheren Pflanzen häufiger vorgekommen ist.

Insgesamt konnte das Konsortium aus ihren Ergebnisse ableiten, dass große Erweiterungen von Genfamilien der Entstehung von grünen Pflanzen, Landpflanzen und Gefäßpflanzen vorausgegangen waren. Bei der Entwicklung von Blütenpflanzen und Farnen spielten Duplikationen des gesamten Genoms eine tragende Rolle. „Die vielleicht größte Überraschung unserer Analysen war das nahezu vollständige Fehlen von Vervielfältigungen des Genoms in den Algen“, sagt der Beteiligte Mike Barker von der Universität von Arizona.