Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Veröffentlichung in Cell: Pflanzen auf dem Pfad zur Fitness

21.06.2013
Bioinformatiker um David Heckmann von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf simulieren die Evolution von Pflanzen.

Am Computermodell zeigen sie, dass im Laufe der Evolution die Fitness von Pflanzen zunimmt, etwa durch effizientere Stoffwechselmechanismen. Diese evolutiven Wege können möglicherweise auch künstlich beschleunigt werden, um Pflanzen schneller an geänderte Umweltbedingungen anzupassen.

Evolutionsbiologen scheinen dazu verdammt, ausschließlich die Vergangenheit zu untersuchen. Ihr Ziel wäre es jedoch, aus dem Wissen über die Interaktion einer Tier- oder Pflanzenart mit ihrer Umgebung den Verlauf der Evolution über Jahrmillionen hinweg vorherzusagen.

Besonders interessiert die Anpassung auf sich ändernde Umweltbedingungen wie die CO2 Konzentrationen in der Atmosphäre. Dies ist heute besonders aktuell im Hinblick auf das sich wandelnde Weltklima. In der Natur benötigt die Evolution hierfür oft Millionen von Jahren.

In der neuesten Ausgabe des angesehenen Fachmagazins Cell stellen David Heckmann und Kollegen von der Abteilung Bioinformatik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ein Computermodell vor, mit dem sie die Evolution von Pflanzen vorhersagen können, ohne Jahrmillionen warten zu müssen. Das Modell hilft nicht nur, die Evolution von Pflanzen in der Erdgeschichte zu verstehen. Die Modellvorhersagen zeigen auch Wege auf, wie die Evolution beschleunigt werden kann. Konkretes Ziel ist es dabei, landwirtschaftlich wichtigen Pflanzen wie Reis dabei zu helfen, schneller zu wachsen, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren.

Das Computermodell bildet die relevanten chemischen Vorgänge beim Stoffwechsel und der Photosynthese in einer bestimmten Klasse von Pflanzen nach. Durch simulierte Mutationen lässt sich mit dem Modell die Evolution vom einem ursprünglichen, weniger effektiven Stoffwechsel (‚C3 Photosynthese’) zu der effizienteren Version (‚C4 Photosynthese’) nachvollziehen. Für die C4 Photosynthese entwickelten die Pflanzen eine interne Pumpe, die die CO2 Konzentration innerhalb bestimmter Zellen erhöht: genau um die molekularen Maschinen herum, die CO2 aus der Luft einfangen und in Zucker umwandeln.

Um Mutationen in echten Pflanzen zu simulieren, wurden zufällige Veränderungen an dem Modell vorgenommen. Heckmann und Kollegen untersuchten daran, wie sich die Mutationen auf die Wachstumsgeschwindigkeit der Pflanze auswirken. Sie fanden heraus, dass sich die Abfolge evolutionärer Veränderungen zwischen verschiedenen simulierten Pflanzen sehr ähnelt.

Man kann sich die Abfolge von Veränderungen als Pfade vorstellen, die in einer imaginären Landschaft nach oben streben. Der höchste Gipfel entspricht der fittesten Pflanze. Überraschenderweise ähnelt diese Landschaft dem japanischen Berg Fuji: ein einfacher Kegel ohne Täler oder Felsspalten; von jedem Punkt aus führt ein Schritt nach oben automatisch in Richtung Gipfel. Dies heißt: von jedem Entwicklungsstand aus gibt es Mutationen, die die Pflanze fitter machen. Indem sie die Eigenschaften echter Pflanzen aus verschiedenen Familien mit ihrem Modell verglichen, fanden die Forscher, dass die Pflanzen tatsächlich den vorhergesagten Pfaden durch die imaginäre Landschaft folgten.

Der Leiter der Studie, Prof. Dr. Martin Lercher, sagt dazu: „Es ist wie im richtigen Leben: Der erste Schritt ist der schwerste. Wenn Pflanzen einmal auf dem Weg zur effizienteren Photosynthese sind, dann passieren die späteren Schritte relativ schnell.“

Die Modellstudien haben einen praktischen Nutzen. Prof. Lercher dazu: „Unser Modell hilft Pflanzenzüchtern bei der Entscheidung, welche Sauerstoffkonzentration und Temperatur sie in ihren Gewächshäusern einstellen sollten, um die Pflanzen dazu zu bringen, sich sehr viel schneller in ertragreichere Sorten zu entwickeln.“ Man kann aber auch gezielt nachhelfen: Gerade der erste, langsamste Schritt könnte mit gentechnischen Verfahren erfolgen. Die nächsten, schnelleren Schritte können dann über herkömmliche Züchtungsverfahren gelingen.

Originalartikel
Heckmann et. al., „Predicting C4 photosynthesis evolution: modular, individually adaptive steps on a Mount Fuji fitness landscape”, Cell, 20. Juni 2013

Kontakt:
Prof. Dr. Martin Lercher
Informatik – Abteilung Bioinformatik
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Tel.: 0211/81-10546
E-Mail: lercher@cs.uni-duesseldorf.de

Dr. Victoria Meinschäfer | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-duesseldorf.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Darmbakterien das Herzinfarktrisiko beeinflussen
10.12.2018 | Berliner Institut für Gesundheitsforschung / Berlin Institute of Health (BIH)

nachricht Neues über ein Pflanzenhormon
07.12.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode verpasst Mikroskop einen Auflösungsschub

Verspiegelte Objektträger ermöglichen jetzt deutlich schärfere Bilder / 20fach bessere Auflösung als ein gewöhnliches Lichtmikroskop - Zwei Forschungsteams der Universität Würzburg haben dem Hochleistungs-Lichtmikroskop einen Auflösungsschub verpasst. Dazu bedampften sie den Glasträger, auf dem das beobachtete Objekt liegt, mit maßgeschneiderten biokompatiblen Nanoschichten, die einen „Spiegeleffekt“ bewirken. Mit dieser einfachen Methode konnten sie die Bildauflösung signifikant erhöhen und einzelne Molekülkomplexe auflösen, die sich mit einem normalen Lichtmikroskop nicht abbilden lassen. Die Studie wurde in der NATURE Zeitschrift „Light: Science and Applications“ veröffentlicht.

Die Schärfe von Lichtmikroskopen ist aus physikalischen Gründen begrenzt: Strukturen, die näher beieinander liegen als 0,2 tausendstel Millimeter, verschwimmen...

Im Focus: Supercomputer ohne Abwärme

Konstanzer Physiker eröffnen die Möglichkeit, Supraleiter zur Informationsübertragung einzusetzen

Konventionell betrachtet sind Magnetismus und der widerstandsfreie Fluss elektrischen Stroms („Supraleitung“) konkurrierende Phänomene, die nicht zusammen in...

Im Focus: Drei Nervenzellen reichen, um eine Fliege zu steuern

Uns wirft so schnell nichts um. Eine Fruchtfliege kann dagegen schon ein kleiner Windstoß vom Kurs abbringen. Drei große Nervenzellen in jeder Hälfte des Fliegenhirns reichen jedoch aus, um die Fliege mit Hilfe visueller Signale wieder auf Kurs zu bringen.

Bewegen wir uns vorwärts, zieht die Umwelt in die entgegengesetzte Richtung an unseren Augen vorbei. Drehen wir uns, verschiebt sich das Bild der Umwelt im...

Im Focus: Researchers develop method to transfer entire 2D circuits to any smooth surface

What if a sensor sensing a thing could be part of the thing itself? Rice University engineers believe they have a two-dimensional solution to do just that.

Rice engineers led by materials scientists Pulickel Ajayan and Jun Lou have developed a method to make atom-flat sensors that seamlessly integrate with devices...

Im Focus: Drei Komponenten auf einem Chip

Wissenschaftlern der Universität Stuttgart und des Karlsruher Institutes für Technologie (KIT gelingt wichtige Weiterentwicklung auf dem Weg zum Quantencomputer

Quantencomputer sollen bestimmte Rechenprobleme einmal sehr viel schneller lösen können als ein klassischer Computer. Einer der vielversprechendsten Ansätze...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Plastics Economy Investor Forum: Treffpunkt für Innovationen

10.12.2018 | Veranstaltungen

Kalikokrebse: Großes Interesse an erster Fachtagung

07.12.2018 | Veranstaltungen

Entwicklung eines Amphibienflugzeugs

04.12.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Mixed Reality für die Industrie: Hochschulen und Industrieunternehmen entwickeln gemeinsam

10.12.2018 | Informationstechnologie

Internationaler Workshop zu umweltfreundlichem Güterverkehr auf europäischer Nord-Süd-Achse

10.12.2018 | Seminare Workshops

Innovationsfonds – Motor für bessere Versorgung

10.12.2018 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics