Was Gene über die Evolution verraten

Sie sind meist nur wenige Zentimeter große, unscheinbare, krautige Pflanzen und bilden noch nicht einmal Blüten. Sofern sie sich in freier Natur überhaupt entdecken lassen, werden wohl die wenigsten Laien den sogenannten Bärlappgewächsen etwas abgewinnen können.

Für Wissenschaftler, wie Prof. Dr. Günter Theißen von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, sind sie jedoch von immensem Interesse: „Bärlappgewächse stellen die ursprünglichsten Gefäßpflanzen dar“, erläutert der Inhaber des Lehrstuhls für Genetik. „Aus ihren Genen lässt sich daher viel über die stammesgeschichtliche Entwicklung der Landpflanzen ablesen.“ Dass das jetzt erstmals möglich ist, daran haben der Jenaer Genetiker und seine Doktorandin Lydia Gramzow entscheidenden Anteil: Sie sind Teil eines internationalen Forscherteams, das soeben das komplette Genom des ersten Vertreters der Bärlappgewächse sequenziert und seine Gene analysiert hat. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichen die Wissenschaftler heute (5. Mai) im Fachmagazin „Science“.

Selaginella moellendorffii gehört zu den mehr als Eintausend heute noch lebenden Arten von Bärlappgewächsen und dient den Forschern als Modellorganismus. Die Bärlappgewächse sind vor über 400 Millionen Jahren entstanden. Sie dominierten während des Karbon – vor rund 300 Millionen Jahren – als oft mehr als 30 Meter hohe Siegel- und Schuppenbäume zusammen mit Schachtelhalmen die Sumpfwälder der nördlichen Hemisphäre, aus denen später die Steinkohle entstand. „Stammesgeschichtlich sind sie das Bindeglied zwischen den ursprünglicheren Moosen und den höher entwickelten Farnen und Samenpflanzen“, erläutert Prof. Theißen. An ihnen lasse sich ablesen, welche evolutionären Innovationen es den Pflanzen ermöglicht haben, an Land nicht nur zu überleben, sondern sich dort weiterzuentwickeln.

Zu den Neuheiten, die bei den Bärlappgewächsen erstmals auftauchen, gehört die Ausbildung von verholzten Gefäßen, in denen Wasser und Nährstoffe transportiert werden. „Außerdem finden wir bei diesen Vertretern erstmals Sprossachsen und gut entwickelte Blätter“, erläutert Bioinformatikerin Lydia Gramzow. Dank der jetzt vorliegenden vollständigen Erbgutsequenz konnten die Forscher nun das erste Mal gezielt nach bestimmten Genen in Selaginella suchen. „Durch den Vergleich mit dem Genom anderer Landpflanzen können wir nun erkennen, wann bestimmte Gene im Verlaufe der Evolution entstanden sind“, so die Jenaer Nachwuchswissenschaftlerin. „Es zeigte sich beispielsweise, dass die Eroberung des Landes – der Übergang von den Grünalgen zu den Moosen – von einer wesentlich umfangreicheren Entstehung neuer Gene begleitet war, als die Entstehung der Gefäßpflanzen beim Übergang von den Moosen zu den Bärlappen. Die Entstehung der Samenpflanzen erforderte dann wieder mehr neue Gene“, macht Lydia Gramzow deutlich.

Innerhalb des über 100-köpfigen Autorenteams aus Amerika, Europa, Australien und Asien haben die Jenaer Genetiker das Selaginella-Genom gezielt nach Gengruppen durchforstet, die bei höheren Pflanzen die Blütenentwicklung steuern. Dabei haben sie allerdings nur entfernte Verwandte dieser Gene gefunden. „Ein Ergebnis, das wir erwartet haben“, resümiert Prof. Theißen, der sich in seiner Forschung auf Gene der Blütenentwicklung spezialisiert hat. Nahe Verwandte dieser Gene sind in der Evolution offenbar erst nach der Entstehung der Bärlappgewächse aufgetaucht – parallel zur Entstehung des Samens bei Samenpflanzen. Doch zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Linie, die zu den heute lebenden Samenpflanzen führt, bereits von den Bärlappgewächsen getrennt. „Das ist möglicherweise einer der Gründe, warum Bärlappgewächse bestimmte Innovationen nicht ausbilden konnten und daher im Verlauf der Evolution von den Samenpflanzen aus den meisten Lebensräumen verdrängt worden sind“, fügt Prof. Theißen hinzu.

Original-Publikation:
Banks J. A. et al.: The compact Selaginella genome identifies changes in gene content associated with the evolution of vascular plants. Science Express v. 5.5.2011
Kontakt:
Prof. Dr. Günter Theißen, Lydia Gramzow
Lehrstuhl für Genetik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Philosophenweg 12, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 949550
E-Mail: guenter.theissen[at]uni-jena.de, lydia.gramzow[at]uni-jena.de