Jäger durch Genomverdoppelung

Es war ein Sprung in der Evolution, bei dem einige Pflanzen den Spieß kurzerhand umdrehten: Von „zahmen Pflanzen“, die von Tieren gefressen werden, zu fleischfressenden Jägern. Diese Pflanzen waren fortan in der Lage, sich auch auf stickstoffarmen Böden auszubreiten – der lebensnotwendige Stickstoff kam nun von den Proteinen ihrer Beutetiere. Für eine Familie dieser fleischfressenden Pflanzen, die Sonnentaugewächse, haben Pflanzenforscher nun den evolutionären Ursprung dieser Fähigkeiten aufgeklärt.

Die Wissenschaftler der Universität Würzburg um Rainer Hedrich und ihre internationalen Kollegen haben dazu die Genome von Vertretern aller drei Gattungen der Sonnentaugewächse analysiert: der Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula), der Wasserfalle (Aldrovanda vesiculosa) und des Sonnentaus (Drosera spatulata). Alle drei haben unterschiedliche, aber wirksame Fallen. Zum Vergleich zogen die Pflanzenforscher die Genome von neun weiteren Pflanzen hinzu, darunter auch zwei karnivore Arten anderer Kladen.

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Auffällige Genome

Dem Forscherteam fiel zunächst die außergewöhnliche Genomgröße der drei Sonnentaugewächse auf: Während die Genome von Sonnentau und Wasserfalle 323 bzw. 509 Millionen Basenpaare umfassen, ergab die Analyse für die Venusfliegenfalle satte 3,18 Milliarden Basenpaare – ein ähnlicher Wert wie beim Menschen. Die Forscher untersuchten die Daten deshalb auf Hinweise auf Genomduplizierungen in der Evolution dieser Arten. Sie fanden ein solches Ereignis, das auf einen gemeinsamen Vorfahren vor rund 60 Millionen Jahren zurückgeht.

Die Wasserfalle hat zudem in jüngerer Vergangenheit eine Genomverdreifachung erfahren. Überraschenderweise gab es keine Spuren weiterer Genomvervielfachungen bei der Venusfliegenfalle. Deren Genomgröße erklären die Forscher mit einer Vielzahl langer Transposons, die rund ein Drittel aller Basenpaare ausmachen. Bei der Wasserfalle sind Transposons nur für 17,5 Prozent und beim Sonnentau für 5,7 Prozent des Genoms verantwortlich. Sonnentau weist dafür eine hohe Zahl Tandem-Duplikationen auf.

Alle drei Arten gehören zu den Landpflanzen mit der geringsten Anzahl von Genen. Die Venusfliegenfalle besitzt 21.135, die Wasserfalle 25.123 und der Sonnentau 18.111. Zum Vergleich: Mais und Reis besitzen zwischen 30.000 und 40.000 Gene.

Noch eine weitere Besonderheit konnte das Forscherteam identifizieren: Bei den drei untersuchten Arten fanden sie 30 sogenannte Orthogruppen, also Gene, die auf jeweils ein Gen des gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Die Gene kodieren für Enzyme wie Carboxypeptidasen, Hydrolasen und Endopeptidase-Inhibitoren, die allesamt mit der Verdauung proteinreicher Beute assoziiert sind.

Keine der anderen neun analysierten Arten besaßen diese Gengruppen. Stattdessen fehlen den Sonnentaugewächsen im Vergleich zu den anderen Arten 1.912 Gengruppen. Darunter auch die Gene, die an der Bildung des Kinetochor mitwirken. Zusätzlich hat die Wasserfalle Gene für die Wurzelentwicklung verloren – was naheliegend ist, da die erwachsene Pflanze kein Wurzelsystem mehr aufweist.

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Insgesamt dürfte die fleischfressende Lebensweise dieser Arten den evolutionären Druck auf einige Gene gesenkt haben, die nicht-karnivore Pflanzen für ihre Ernährung unbedingt benötigen. In der Folge verschwanden einige dieser Gene aus ihrem Erbgut – wenngleich alle drei Familien weiterhin die Photosynthese beherrschen.

Alte Gene, neue Funktionen: Wie die Jagd möglich wurde

Die Sonnentaugewächse haben im Zuge ihrer geänderte Ernährungsweise auch neue Genfunktionen entwickelt – und das wohl schon zu Zeiten des gemeinsamen Vorfahren: 279 Orthogruppen sind dazu entstanden, die die Jagd nach Insekten erst möglich machen.

Sie dienen vier unterschiedlichen Funktionen: Anlocken und Wahrnehmung der Beute, ihre Verdauung sowie Aufnahme der Nährstoffe. An der Anlockung sind vor allem Enzyme der Terpenoidsynthese und weiterer Sekundärmetabolite beteiligt sowie Zuckertransporter. Membranrezeptoren und Signalleiter dienen wohl der Wahrnehmung der Beute. Peptidasen, Nukleasen und weitere Hydrolasen sind für die Verdauung zuständig. Spezielle Transporter für Stickstoff, Phosphate, Sulfate, Aminosäuren, Oligopeptide, Zucker und andere Metallionen bilden den Kern der Nährstoffaufnahme. Allerdings unterscheiden sich die Mechanismen der drei Sonnentaugewächsfamilien im Detail, was mit den unterschiedlichen Fangmethoden zusammenhängen dürfte.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Genomverdoppelung vor 60 Millionen Jahren den Weg für jagende Pflanzen geebnet hat. Teilweise konnten die Forscher auch nachvollziehen, wie nach der Verdoppelung die neuen Funktionen der Gene entstanden. So ergab die Analyse der Transkriptome von zehn Gewebetypen, dass die Homologe vieler Gene, die bei der Ackerschmalwand ausschließlich in den Wurzeln zur Nährstoffaufnahme aktiv sind, bei den Sonnentaugewächsen nun in den Fallen für die Aufnahme der Nährstoffen der verdauten Beutetieren zuständig sind. Und Gene, deren Proteine sonst im Nektarium als Zuckertransporter die bestäubenden Insekten belohnen, erzeugen bei Sonnentaugewächsen nun volatile Lockstoffe in den Fangblättern.

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Ursprung in der Verteidigung

Damit stellt sich auch die Frage, wie in Sonnentaugewächsen die Regulation solcher Gene, die in nichtkarnivoren Pflanzen konstitutiv exprimiert werden, entstanden ist. Denn in den karnivoren Pflanzen werden die Nährstofftransporter erst aktiv, wenn sich in den Fallen tatsächlich auch proteinreiche Beute befindet. Einen Hinweis geben zwei Gene, deren Kopien nach der Genverdopplung neue Aufgaben als Transkriptionsfaktoren übernommen haben. Ursprünglich waren sie an der Regulation von Stressreaktionen beteiligt. Das stützt die Theorie, dass karnivores Verhalten seine Abstammung in pflanzlichen Verteidigungsmechanismen hat.

Abschließend konnten die Wissenschaftler noch nachweisen, dass nur die Jagd-Mechanismen der Sonnentaugewächse auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Bei anderen Gruppen von karnivoren Pflanzen scheint das nicht der Fall zu sein. Bei karnivoren Kannenpflanzen kam es allerdings auch zur einer Genverdopplung im Laufe der Evolution, die ebenfalls den Auftakt zur Entwicklung als Jäger markiert haben könnte.

Interessant ist die Frage, weshalb nicht mehr Pflanzen karnivore Eigenschaften entwickelt haben. Schließlich besitzen die meisten Pflanzen das notwendige genetische Grundmaterial für diese Entwicklung und Genomverdoppelungen sind im Pflanzenreich keine Seltenheit. Eine mögliche Erklärung wäre, dass in nährstoffreicher Umwelt kein evolutionärer Vorteil für alternative Ernährungsformen besteht.

Quelle:
Palfalvi, G. et al. (2020): Genomes of the Venus Flytrap and Close Relatives Unveil the Roots of Plant Carnivory. In: Current Biology 30, 1-9, (22. Juni 2020), doi: 10.1016/j.cub.2020.04.051.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Vom Opfer zum Angreifer - Verteidigungsmechanismus wird zum Verdauungsapparat
• Der „Speedy Gonzales“ des Pflanzenreichs - Ultraschnelle Saugfallen von fleischfressenden Wasserschläuchen untersucht
• Fleischfressende Pflanzen als Gewinner der Evolution

Titelbild: Die Fangblätter des Sonnentaus entwickelten sich infolge einer Genomverdoppelung vor rund 60 Millionen Jahren. (Bildquelle: © Heiko Stein/Pixabay/CC0)