Die Besiedlung des Landes durch die ersten Pflanzen war einer der folgenreichsten und wichtigsten Schritte der Evolution auf unserem Planeten. Denn mit der Entwicklung der Vegetation auf den zuvor noch kahlen Landmassen veränderten sich die geochemischen Kreisläufe, neue ökologische Nischen entstanden und in der Atmosphäre nahm der Sauerstoffgehalt zu und der Kohlendioxidgehalt ab. Letztendlich schufen die Pflanzen mit diesem Sprung vom Wasser aufs Land auch die Voraussetzung für unser Leben.
Seitdem sich urzeitliche Grünalgen vor rund einer Milliarde Jahren in zwei unterschiedliche Abstammungslinien aufspalteten, hat die Pflanzenwelt eine enorme Diversifizierung erfahren: “Aus einer dieser Linien entwickelten sich später Blütenpflanzen, Landpflanzen und verwandte Algengruppen, die andere umfasst eine Reihe von Grünalgen”, sagt James Leebens-Mack von der University of Georgia. Heute leben zwischen 450.000 und 500.000 Arten auf der Erde, die wichtige Funktionen in den Ökosystemen an Land und im Wasser übernehmen. Doch wie kam diese erstaunliche Artenvielfalt zustande? Ein internationales Forscherteam wollte mehr über die genetischen Grundlagen der Pflanzenevolution herausfinden und hat ein wahres Mammutprojekt gestartet: die “One Thousand Plant Transcriptome Initiative”.
Aktive Gene im Blick
Die Wissenschaftler analysierten die Genexpression von 1147 Landpflanzen- und Algenspezies – darunter Grünalgen, Moose, Bärlappgewächse, Farne, Nacktsamer und Blütenpflanzen. “Manche dieser Arten sind vor mehreren hundert Millionen Jahren entstanden. Doch erst heute haben wir die Werkzeuge, um zurückzuschauen und zu sehen, was damals passiert ist”, sagt Mitautor Marcel Quint von der Martin-Luther-Universität in Halle-Wittenberg. Ihre Analyse von Genen und Genfamilien zeigt so detailliert wie niemals zuvor, wie der Stammbaum der Pflanzen aussieht und welche genetischen Veränderungen seiner Aufzweigung zugrunde lagen.
Die Ergebnisse offenbarten unter anderem, wann bestimmte Pflanzenlinien ihr Genom verdoppelten oder sich einzelne Genfamilien vervielfältigten. Solche Prozesse gelten als ein wesentlicher Treiber evolutionärer Innovationen im Pflanzenreich. “Denn steht signifikant mehr genetisches Material zur Verfügung, gibt es mehr Kapazitäten, um neue Eigenschaften zu entwickeln”, erklärt Quint. Verfügt eine Pflanze etwa über zwei Kopien eines Gens, kann eine Kopie allmählich eine neue Funktion übernehmen. Dies erleichtert die Anpassung an neue Umweltbedingungen und Lebensräume.
Innovation durch Vervielfältigung
“Bisher dachten wir, dass die größte genetische Expansion beim Übergang zu den Blütenpflanzen stattfand. Schließlich macht diese Gruppe einen Großteil der heute lebenden Spezies aus”, berichtet Quints Kollege Martin Porsch. Doch die Daten enthüllten: Diese Expansion passierte bereits viel früher – und zwar an einem entscheidenden Punkt in der Pflanzenevolution. So fanden die Forscher heraus, dass ein enormer Sprung in der Genvielfalt zum Beispiel kurz vor der Entstehung der ersten Gefäßpflanzen stattfand – Landpflanzen mit spezialisierten Leitbündeln für den Transport von Wasser und Nährstoffen. “Der Übergang vom Wasser aufs Land war eine der größten Herausforderungen für die Pflanzen”, berichtet Porsch. “Wir haben einen enormen Anstieg der genetischen Vielfalt zur Zeit dieses Übergangs festgestellt. Danach erreichte sie bald ein Plateau.”
