Mit drei Innovationen zum Erfolg

Evolution der PIN-Proteine legte den Grundstein für die Entstehung der Blütenpflanzen

11.01.2021 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Blütenpflanzen gehören zu der artenreichsten Klasse der Samenpflanzen. Ihre Entwicklung geht Hand in Hand mit der Evolution der PIN-Proteine. (Bildquelle: © erwin nowak / Pixabay / CC0)

Blütenpflanzen gehören zu der artenreichsten Klasse der Samenpflanzen. Ihre Entwicklung geht Hand in Hand mit der Evolution der PIN-Proteine. (Bildquelle: © erwin nowak / Pixabay / CC0)

Die Evolution der Landpflanzen geht mit vielen Innovationen einher. Leitungsbahnen, Wurzeln, Sprossachsen und Blüten – all das musste einst neu erfunden werden. Verantwortlich dafür sind die sogenannten PIN-Proteine, die im Lauf der Zeit neue Funktionen hinzugewannen und somit die Ausbildung neuer Organe ermöglichten.

Alles Leben began im Wasser – so auch das der Pflanzen. Vorläufer der heutigen Moose waren dann die ersten Pflanzen, die vermutlich vor etwa 515 Millionen Jahren das Land besiedelten. Im Gegensatz zu grünen Algen verfügten sie über Sprossachse und Wurzel. Im Zeitalter des Silur (vor 444 bis 420 Mio Jahren) erschienen dann die ersten Gefäßpflanzen, die Wasser und Nährstoffe über ein Leitungssystem transportieren können. Die Blütenpflanzen traten erst viele Millionen Jahre später in Erscheinung, nämlich vor rund 135 Millionen Jahren in der Kreidezeit. Doch gerade sie sind extrem erfolgreich. Heute zählen rund 90 Prozent aller Pflanzenarten zu den Blütenpflanzen.

Diese drei Entwicklungsschritte konnten stattfinden, weil sich die sogenannten PIN-Proteine weiterentwickelt und dadurch die Entstehung spezialisierter Pflanzenorgane überhaupt erst ermöglicht haben. Das berichten Wissenschaftler um Prof. Jiří Friml vom Institute of Science and Technology (IST) in Österreich im Fachmagazin Science Advances.

PIN-Transporter verteilen Auxin

Die PIN-Transporter sind dafür verantwortlich, das Pflanzenhormon Auxin in der Pflanze zu verteilen. Auxin steuert fast alle Entwicklungsprozesse und wird über die PIN-Transporter von Zelle zu Zelle transportiert. PINs sorgen somit für dynamische Auxin-Gradienten über unterschiedliche Gewebe hinweg und ermöglichen dadurch die komplexe Architektur der Blütenpflanzen. Dafür ist es auch wichtig, dass sich das Auxin nicht gleichmäßig innerhalb einer Zelle verteilt, sondern nur an bestimmten Zellorten aufhält.

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Moose gehören zu den ältesten Landpflanzen und entstanden vermutlich direkt aus Grünalgen. Sie haben noch keine Blütenstände.

Moose gehören zu den ältesten Landpflanzen und entstanden vermutlich direkt aus Grünalgen. Sie haben noch keine Blütenstände.

Bildquelle: © Jaesung An / Pixabay / CC0

Es gibt unterschiedliche PIN-Proteine für verschiedene Aufgaben. Mit Mutations-Experimenten hat das Team um Jiří Friml herausgefunden, welches Protein wofür verantwortlich ist. Eine Arabidopsis-Mutante ohne das Protein pin-formed1 (Pin1) zeigt zahlreiche Wachstumsdefekte und bildet keine Blüten aus. Fehlt hingegen Pin2, so zeigen sich Fehler im Gravitropismus der Wurzel. Die Tripelmutante pin3/4/7 bildet an den Sprossachsen mehr Verzweigungen und zeigt ebenfalls schlechteren Wurzelgravitropismus. Ein defektes PIN-Protein kann also nicht einfach durch ein anderes ersetzt werden – zu unterschiedlich sind ihre Funktionen.

Neue PINs, neue Funktionen

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen auf, dass die eingangs beschriebenen drei wichtigen Evolutionsschritte mit funktionalen Innovationen der PIN-Proteine einhergehen. Grüne Algen verfügen noch über keinerlei PIN-Proteine – in Moosen jedoch sind sie zu finden. Der nächste Entwicklungsschritt hin zu den Gefäßpflanzen, die Leitungsbahnen und einen Blütenstand ausbilden können, geht ebenfalls mit einer Evolution von PIN-Proteinen einher. Und nur Blütenpflanzen verfügen über das jüngste PIN-Protein PIN1 und Sister of Pin1 (SoPIN1). Beide sind für die Ausbildung von Blüten verantwortlich.

Innerhalb der PIN-Proteine gab es zudem „Mikroevolutionen“, sodass das PIN1 einer Pflanze nicht das fehlende PIN1 einer anderen Pflanze ersetzen und den Phänotyp reparieren kann. Möglicherweise hat diese Art der Evolution dazu geführt, dass es eine größere Bandbreite an Blütenstrukturen gibt, die an unterschiedliche Bestäuber und Umweltbedingungen angepasst sind.


Quelle:
Zhang, Y. et al. (2020): Functional innovations of PIN auxin transporters mark crucial evolutionary transitions during rise of flowering plants. In: Science Advances, (11. Dezember 2020), doi: 10.1126/sciadv.abc8895.

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Titelbild: Blütenpflanzen gehören zu der artenreichsten Klasse der Samenpflanzen. Ihre Entwicklung geht Hand in Hand mit der Evolution der PIN-Proteine. (Bildquelle: © erwin nowak / Pixabay / CC0)