Cluster of Excellence –
University of Freiburg

Feste Zellwand bereitete Landgang vor

Internationales Forschungsteam findet Landpflanzen-Gene bei Armleuchteralgen
Der Stammbaum der Landpflanzen weist die Armleuchteralgen als nahe Verwandte aus. Diese teilen sich mit den Landpflanzen viele Eigenschaften, zum Beispiel eine spezielle Form der Zellteilung.
(Illustration: Debbie Maizels)

Wie Pflanzen das Land eroberten, zeigt sich in ihren Genen: Die Erbanlagen von Armleuchteralgen enthalten zahlreiche evolutionäre Neuerungen, die es ihren Vorläufern ermöglichten, sich auf dem Trockenen breit zu machen. Das hat ein internationales Konsortium herausgefunden, indem es den Genbestand von „Brauns Armleuchteralge“ mit dem von Landpflanzen verglich. Insbesondere für die Bildung der Zellwand greift die Alge auf Erbanlagen zurück, wie sie auch bei Landpflanzen vorkommen, schreiben der Marburger Zellbiologe Professor Dr. Stefan Rensing sowie Kolleginnen und Kollegen aus aller Welt, die im Fachblatt „Cell“ über ihre Ergebnisse berichten.

Landpflanzen bilden eine außerordentlich vielfältige Gruppe von Lebewesen, die eine Fülle von Anpassungen an ganz unterschiedliche Lebensräume aufweisen – mächtige Baumriesen gehören ebenso dazu wie zarte Kräuter, Moose genauso wie Blütenpflanzen. „Die Landpflanzen teilen sich einen gemeinsamen Ahnen mit den Armleuchteralgen“, erklärt Seniorautor Stefan Rensing von der Philipps-Universität. Die beiden Linien trennten sich vor mehr als 500 Millionen Jahren. Armleuchteralgen, die im Süßwasser leben, besitzen eine komplexere Morphologie als andere verwandte Algenarten. Ihr Aussehen erinnert an mehrarmige Kerzenleuchter – davon leitet sich ihr deutscher Name ab.

Als die ersten Pflanzen an Land gingen, waren sie mit veränderten Umweltbedingungen konfrontiert. So mussten sich die Pioniere unter anderem gegen Austrocknung schützen. „Es gibt mehrere Algengruppen, die das Land besiedelt haben, aber nur eine davon hat sich zur Großgruppe der Landpflanzen weiterentwickelt“, erläutert Rensing. Welche Anpassungen waren dafür erforderlich?

Um das herauszufinden, präsentiert die Forschergruppe um den Marburger Zellbiologen erstmals das Genom der Armleuchteralgenart Chara braunii, um es mit dem von Landpflanzen zu vergleichen. „Unsere vergleichende Analyse deckt Gene auf, die im gemeinsamen Vorfahren der Armleuchteralgen und Landpflanzen entstanden“, führt der Studienleiter aus – Gene, die über Hunderte von Millionen von Jahren erhalten blieben. „Diese Gene stehen für evolutionäre Veränderungen, die mit der Entstehung einer vielfältigen morphologischen Komplexität einhergingen, wie wir sie von Landpflanzen kennen.“

Eine der auffälligsten Neuerungen, die das Autorenteam in den Genen dieser Algen und Landpflanzen nachweist, betrifft die Zellteilung und den Aufbau der Zellwand – kein Wunder, wenn man an die Bedeutung denkt, die der Schutz vor Austrocknung für den Landgang hatte. „Ähnlich wie Landpflanzen führen die Armleuchteralgen eine Zellteilung durch, bei der spezielle Proteine eine Zellplatte zusammensetzen. Diese entwickelt sich anschließend zur neuen Querwand“, schreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

„Unsere Daten zeigen: Eine Reihe von Genen, die in der wissenschaftlichen Literatur bisher als Landpflanzen-typisch galten, finden sich schon bei den Armleuchteralgen“, legt Rensing dar. Daneben gibt es bei „Brauns Armleuchteralge“ aber auch Neuerungen, die unabhängig von denen der Landpflanzen entstanden.

Stefan Rensing lehrt Zellbiologie der Pflanzen an der Philipps-Universität und ist assoziiertes Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies an der Universität Freiburg. Neben seiner Arbeitsgruppe beteiligten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus zahlreichen Ländern an den Forschungen, die der Veröffentlichung zugrunde liegt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, der Europäische Forschungsrat, die Leibniz-Gemeinschaft, die US-amerikanische National Science Foundation sowie Forschungsförderer aus Japan, Belgien und Dänemark unterstützten die Arbeiten finanziell.

 

Original Veröffentlichung:

The Chara genome: secondary complexity and implications for plant terrestrialization