#Pflanzliche Evolution: Vielzellig schon vor einer Milliarde Jahren?

Blätter, Blüten, Wurzeln…: Wann ist die Grundlage dieser pflanzlichen Komplexität entstanden – die Vielzelligkeit? Dieser Frage sind nun Forschende durch das Verfahren der „molekularen Uhr“ auf die Spur gekommen. Die Hinweise lieferte dabei die phylogenomische Rekonstruktion und die zeitliche Einordnung der Entwicklungsgeschichte einer mit den Landpflanzen verwandten Gruppe von Grünalgen. Es zeichnet sich demnach ab, dass schon der gemeinsame Vorfahre beider Entwicklungslinien eine mehrzellige Algen-Form war, die sich auf fast eine Milliarde Jahre zurückdatieren lässt.

Vom Baum bis zum Gänseblümchen wachsen sie in unzähligen Versionen auf unserem Planeten und sorgen für Nahrung und Sauerstoff: Die Landpflanzen bilden die Grundlage des terrestrischen Lebens. Durch ihre Bedeutung stehen sie auch im besonderen Interesse der Evolutionsbiologie: Forscher wollen Einblicke darin gewinnen, wie und wann diese Lebewesen auf unserem Planeten entstanden sind. Man geht dabei davon aus, dass die Landpflanzen aus algenartigen Gewächsen hervorgegangen sind, die sich vor etwa 500 Millionen Jahren an ein Landleben anpassen konnten und anschließend immer komplexere Formen hervorgebracht haben. Bisher ist allerdings der Ursprung eines weiter zurückreichenden, grundlegenderen Pflanzenmerkmals unklar geblieben: der Vielzelligkeit.

Besondere Algen im Visier

Dieser Frage ist nun ein Forschungsteam der Universität Göttingen durch die Untersuchungen einer interessanten Gruppe von Grünalgen nachgegangen. Die sogenannten Klebsormidiophyceae werden den Streptophyten zugeordnet, zu denen auch die Landpflanzen gehören. Man geht somit davon aus, dass sie gemeinsame Vorfahren besaßen, die einst in urzeitlichen Gewässern lebten. Das Interessante an den Klebsormidiophyceae ist dabei, dass einige Arten einzellig sind, andere hingegen mehrzellige, fadenförmige oder verzweigte Gewächse bilden. Außerdem haben einige dieser Algen das Land erobert: Neben aquatischen Arten gibt es ausgesprochen robuste Bewohner von terrestrischen Oberflächen.

Im Rahmen der Studie haben die Forschenden zunächst Proben dieser bisher wenig erforschten Klebsormidiophyceae-Algen gesammelt. Ziel der umfassenden Suche war es, eine globale Verbreitungskarte dieser Organismen zu erstellen, die deren Anpassungsfähigkeit, ökologische Bedeutung und verborgene Vielfalt darstellt. Das Team stöberte dabei unterschiedliche Arten in den heißesten bis zu den kältesten Regionen der irdischen Lebenswelt auf. Es handelte sich um Vertreter aus Gewässern, Mooren und Bergbaufolgelandschaften und von verschiedenen Substraten: darunter Böden, Felsen, Baumrinden, Sanddünen, Stadtmauern und Gebäudefassaden. Anschließend nahmen die Forschenden die Merkmale dieser unterschiedlichen Klebsormidiophyceae-Algen genau unter die Lupe. „Es ist faszinierend, dass die winzigen, robusten Organismen in ihrer Morphologie so vielfältig und zudem extrem gut an das Leben in teils rauer Umwelt angepasst sind“, sagt Tatyana Darienko von der Universität Göttingen.

Zum Kernaspekt der Studie avancierten allerdings die genetischen Untersuchungsergebnisse. Die Forschenden erstellten dazu neue genetische Sequenzen für 24 Klebsormidiophyceae-Arten, zudem flossen bereits vorhandene Daten von 14 Spezies in ihre Untersuchungen ein. Die genetischen Informationen wurden dann mit speziellen analytischen und vergleichenden Methoden untersucht. „Unser Ansatz, der als Phylogenomik bekannt ist, bestand darin, die Evolution unter Berücksichtigung ganzer Genome oder großer Teile von Genomen zu rekonstruieren“, erklärt Co-Autor Iker Irisarri. „Mit dieser leistungsfähigen Methode lassen sich evolutionäre Zusammenhänge mit sehr hoher Präzision aufdecken.“

„Molekulare Uhren“ verweisen auf frühe Entwicklung

Konkret kann das Verfahren Aufschluss über die Verwandtschaftsbeziehungen der Arten geben und Gruppierungen aufzeigen. Besonders spannend ist dabei, dass die Forschenden aus den genetischen Daten auch Hinweise darauf gewinnen können, wann es zu den Aufspaltungen aus gemeinsamen Vorfahren gekommen ist. Die entsprechende Methode wird dabei als „molekulare Uhr“ bezeichnet. Dieses Datierungsverfahren basiert auf folgendendem Prinzip: Je unterschiedlicher die DNA-Sequenzen zweier Arten, desto länger entwickeln sie sich schon getrennt. Durch bestimmte Anhaltspunkte lassen sich die Zeitpunkte der Aufspaltungen abschätzen. Das Team nutzte für die Studie nun über 800 neue Marker, die zu ihren Analyseergebnissen führten.

Wie das Team berichtet, führte ihr Ansatz zu einem Stammbaum der Klebsormidiophyceae-Algen, der sie in drei Ordnungen gruppiert. Dadurch waren Rückschlüsse auf den Ursprung dieser Organismen möglich: „Durch das tiefe Eintauchen in die Phylogenomik und mit unserer ‚molekularen Uhr‘ haben wir den Vorfahren der Klebsormidiophyceae enthüllt“, sagt Erst-Autorin Maaike Bierenbroodspot von der Universität Göttingen. Der Datierung zufolge lebte dieser Organismus vor über 830 Millionen Jahren. Die Rekonstruktion dieser Alge ergab dabei, dass es sich schon um ein mehrzelliges Wesen gehandelt hat, berichten die Forschenden.

Wie sie erklären, waren ausgehend von diesem Befund wiederum Rückschlüsse auf die vorangegangene Entwicklungsgeschichte der Streptophyten möglich, zu denen die Klebsormidiophyceae und auch die Landpflanzen gehören. Es liegt demnach nahe, dass auch schon der gemeinsame Vorfahre der Klebsormidiophyceae und der Entwicklungslinie der Landpflanzen mehrzellig war. „Wir liefern Hinweise darauf, dass die ersten mehrzelligen Streptophyten wahrscheinlich vor etwa einer Milliarde Jahren lebten“, schreiben die Autoren. Abschließend sagt Seniorautor Jan de Vries von der Universität Göttingen dazu: „Das genetische Potenzial für Vielzelligkeit war bei den Streptophyten früher vorhanden, als bislang angenommen. Das deutet auf einen lang zurückliegenden Ursprung dieses entscheidenden Merkmals vor fast einer Milliarde Jahren hin“, so der Wissenschaftler.

Quelle: Universität Göttingen, Fachartikel: Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2023.12.070

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