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Pflanzengene überspringen Artgrenzen

20.03.2012
Wichtige Photosynthese-Gene wurden nicht durch Fortpflanzung, sondern durch horizontalen Genaustausch im Pflanzenreich weitergegeben. Auf diese Weise ist vermutlich der alternative Photosyntheseweg der C4-Pflanzen entstanden, der beispielsweise den Mais in trockenen Regionen zu einem besonders effizienten Biomasselieferanten macht.

C4-Pflanzen sind in warmen und sonnigen Regionen besonders effiziente Kohlenstoff-Fixierer. Im Gegensatz zu den C3-Pflanzen, können sie CO2 aus der Luft in einem zusätzlichen Photosyntheseschritt vorfixieren.


Abkürzung der Evolution? Durch horizontalen Gentransfer können auch entfernt-verwandte Arten Gene austauschen. Ein Mechanismus, der möglicherweise die Evolution vieler Pflanzeneigenschaften beschleunigte. (Quelle: ©Les Watson / Wikipedia Commons)

Das erste Produkt der C4-Photosynthese ist demnach, wie schon der Name sagt, eine Verbindung mit vier statt drei Kohlenstoffatomen. Die Vorfixierung und eigentliche Photosynthese findet in spezialisierten Zellen statt. In ihnen wird auch CO2 wieder zurückgewonnen, das in C3-Pflanzen normalerweise bei der Atmung verloren geht.

Bei Wärme und Trockenheit, wenn Pflanzen ihre Spaltöffnungen schließen, um die Verdunstung zu drosseln, hat dieser alternative Photosyntheseweg einen entscheidenden Vorteil: Durch den effizienteren Photosyntheseapparat, ist auch bei geschlossenen Spaltöffnungen genug CO2 vorhanden, um weiterhin Photosynthese zu betreiben. C4-Pflanzen, wie beispielsweise Mais, Hirse und Zuckerrohr, sind daher um rund 50% Prozent effizienter als C3-Pflanzen. In internationalen Forschungsprojekten, versuchen Wissenschaftler aus diesem Grund C3- in C4-Pflanzen umzuwandeln, um die Erträge von Kulturpflanzen zu verbessern.

Eine genetische Studie zeigt, wie Pflanzen im Laufe der Evolution zu effizienten C4-Pflanzen wurden. Die Wissenschaftler verglichen die Verwandtschaftsverhältnisse zweier wichtiger C4-Photosynthesegene in Süßgräsern der Gattung Alloteropsis, zu der sowohl C3- als auch C4-Pflanzen gehören. Bei den Genen handelte es sich um Enzyme, die bei der Vorfixierung des Kohlenstoffs eine wichtige Rolle spielen, der Phosphoenolpyruvate-Carboxylase (PEP-C) und der Phosphoenolpyruvate- Carboxykinase (PEP-KC). Auch in C3-Pflanzen sind diese Gene bereits vorhanden- ohne jedoch eine Photosynthese-Funktion zu übernehmen. Die Wissenschaftler gingen ursprünglich davon aus, dass C4-Pflanzen ihre PEP- Gene von den C3-Vorfahren übernommen haben und diese erst daraufhin ihre C4-Photsynthesefunktionen entwickelten.

Erstaunlicherweise stellten die Forscher jedoch keine enge Verwandtschaft zwischen den PEP-Genen der C3- und C4- pflanzen innerhalb der Alloteropsis–Arten fest. Stattdessen zeigte sich die größte Ähnlichkeit zwischen PEP-Genen von C4-Pflanzen, die nur entfernt mit den Alloteropsis-Gräsern verwandt sind, wie beispielsweise die Unterfamilien von Mais und Hirse.

Das überraschende Ergebnis erklären sich die Wissenschaftler mit einem Phänomen, dass bisher relativ selten im Tier- und Pflanzenreich beschrieben wurde, dem sogenannten horizontalen Gentransfer. Gene werden dabei nicht durch Fortpflanzung von einer Generation an die nächste, sondern durch nicht verstandene Mechanismen zwischen artfremden Organismen weitergegeben. Eine Hypothese ist beispielsweise, dass Viren und Bakterien die Gene ihrer Wirte im Tier- und Pflanzenreich verbreiten. In diesem Fall ist allerdings noch völlig unklar, wie die Gene von einer Pflanzengruppe in die andere gelangten. „Unsere Vermutung ist derzeit, dass genetisches Material mit den Pollen auf einer anderen Pflanze landete. Durch einen bisher unverstandenen Mechanismus hat die Pflanze dieses Erbgut bei der Befruchtung in ihr Genom eingebaut.“, sagt Erika Edwards, Autorin der Studie.

Bisher glaubte man, dass horizontaler Gentransfer bei Pflanzen extrem selten stattfindet. Die Forscher nehmen jedoch an, dass es sich bei dem Austausch der Photosynthese-Gene um keinen Einzelfall handelt. Vielmehr gehen sie davon aus, dass man zukünftig noch weitere Spuren dieses natürlichen, artübergreifenden Genaustausches im Pflanzenreich entdecken wird. Möglicherweise ist die Evolution vieler wichtiger Pflanzeneigenschaften auf diese Weise beschleunigt worden. Damit wird auch deutlich, dass gentechnische Methoden zur Übertragung von Genen oder Genomabschnitten zwischen verschiedenen Arten, durchaus natürliche Vorbilder besitzen.

Quellen:
P. Christin et al. (2012): Adaptive Evolution of C4 Photosynthesis through Recurrent Lateral Gene Transfer In: Current Biology. Online Publikation, März 2012,

DOI: 10.1016/j.cub.2012.01.054

P. Christin et al. | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de

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