Internationales Forscherteam entdeckt für Landpflanzen typische Genmerkmale in Algen

Wie weit muss man in der Evolutionsgeschichte zurückgehen, um herauszufinden, wann die Weichen für die Besiedlung des Festlandes durch Pflanzen gestellt wurden?

Die Antwort darauf fand ein internationales Wissenschaftlerteam, welches das Genom der Armleuchteralge Chara braunii entschlüsselte – deren Vorfahren bereits vor 500 Millionen Jahren lebten. An der Deutung der Genomsequenz der Grünalge, die viel näher mit den Landpflanzen verwandt ist als die meisten anderen Algen, beteiligten sich mehr als 30 Forscher und steuerten unter der Leitung des Marburger Biologen Prof. Dr. Stefan Rensing ihre je eigene Expertise bei, darunter Prof. Dr. Günter Theißen und Dr. Florian Rümpler von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht (DOI: 10.1016/j.cell.2018.06.033).

„Alle Landpflanzen, wie Moose, Farne, Nacktsamer und Blütenpflanzen, stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab. Das Festland wurde also von Pflanzen nur einmal erfolgreich besiedelt“, erklärt Genetiker Prof. Theißen. „Das Landleben bedeutet verglichen mit dem im Wasser mehr Stress, zum Beispiel durch die Gefahr auszutrocknen, schwerer an Nährstoffe zu kommen und stark erhöhte Strahlenbelastung, insbesondere durch UV-Licht. Dass die entsprechenden genetischen Merkmale, das zu überstehen, schon bei Chara braunii vorlagen, ist eine weitreichende Erkenntnis.“

Genetische Anlagen für Blütenentwicklung

Theißen und Rümpler haben für das Kooperationsprojekt im Genom von Chara braunii nach Genen gesucht, die mit denjenigen Genen nahe verwandt sind, die in Blütenpflanzen die Blütenentwicklung steuern. Diese Gene kodieren Transkriptionsfaktoren, das heißt Proteine, die die Aktivität sogenannter Zielgene im Genom steuern.

„Bei allen Landpflanzen regulieren jeweils vier Proteine in einem Proteinkomplex gemeinsam die Zielgene. Wir konnten nun herausfinden, dass Chara braunii und Landpflanzen bezüglich der Gene, die diese Proteine kodieren, viel gemeinsam haben. So verfügt die Armleuchteralge ebenfalls schon über Gene mit dem Potenzial, Proteinkomplexe zu bilden, wie man sie auch bei der Blütenentwicklung findet“, erläutert Florian Rümpler die Erkenntnisse aus Jena.

„Die Entwicklung setzt erst mit der Armleuchteralge ein, andere Algen zeigen die Eigenschaft nicht. Auch sie wird beim Landgang eine Rolle gespielt haben, dient diese Fähigkeit doch vermutlich der besseren Kontrolle der Zielgene.“

Obgleich demnach bereits vor 500 Millionen Jahren Genanlagen vorhanden waren, die so ähnlich auch bei der Bildung von Blüten eine zentrale Rolle spielen, haben sich Blüten erst vor rund 200 Millionen Jahren entwickelt, so Günter Theißen. Davor investierten die Landpflanzen ihre Kräfte bei der sexuellen Reproduktion in die Bildung anderer Strukturen.

„Aus brennendem Interesse“ habe er sich an dem Großprojekt beteiligt: Bereits seit 25 Jahren erforscht der Jenaer Lehrstuhlinhaber für Genetik, wie Gene die Blütenentwicklung steuern. Die Untersuchung der kleinen Armleuchteralge bedeutet dabei einen großen Schritt nach vorn – und weit zurück in die Vergangenheit.

Prof. Dr. Günter Theißen, Dr. Florian Rümpler
Matthias-Schleiden-Institut für Genetik, Bioinformatik und Molekulare Botanik der Universität Jena
Philosophenweg 12, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 949550, 03641 / 949564
E-Mail: guenter.theissen[at]uni-jena.de, florian.ruempler[at]uni-jena.de

Nishiyama, Tomoaki et al. (2018): The Chara Genome: Secondary Complexity and Implications for Plant Terrestrialization, Cell, https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.06.033.

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