Vor über 450 Millionen Jahren begannen Pflanzen den epischen Übergang vom Wasser zum trockenen Land. Zu den ersten Pionieren gehörten die Vorfahren des Hornkrauts, einer Gruppe kleiner, unscheinbarer Pflanzen, die bis heute erhalten geblieben sind. Neue Forschungsergebnisse geben Einblicke in die genetischen Baupläne des Hornkrauts und enthüllen faszinierende Details über die Pflanzenentwicklung und die Anfänge des Lebens an Land.
„Wir begannen mit der Entschlüsselung der Genome von zehn Hornkrautarten, die alle bekannten Familien innerhalb dieser einzigartigen Pflanzengruppe repräsentieren“, sagte Peter Schafran, Postdoktorand am Boyce Thompson Institute (BTI) und Erstautor der Studie. „Was wir herausgefunden haben, war unerwartet: Hornkraut hat bemerkenswert stabile Chromosomen beibehalten, obwohl es sich über 300 Millionen Jahre lang getrennt entwickelt hat.“
Im Gegensatz zu vielen Pflanzen kommt es bei Hornkraut nicht zu einer Duplikation des gesamten Genoms (wobei das gesamte genetische Material eines Organismus dupliziert wird). Dieses Fehlen einer Duplikation hat zu stabilen „Autosomen“ geführt – den Chromosomen, die den größten Teil des genetischen Materials eines Organismus enthalten –, die trotz ihrer langen Evolutionsgeschichte bei allen Hornkrautarten relativ unverändert geblieben sind.
Allerdings sind nicht alle Teile des Hornkraut-Genoms so statisch. Die Studie ergab das Vorhandensein von „akzessorischen Chromosomen“ – zusätzlichem genetischem Material, das nicht überlebenswichtig ist, aber zusätzliche Vorteile bieten kann. Diese akzessorischen Chromosomen sind viel dynamischer, entwickeln sich schnell und variieren sogar innerhalb einzelner Pflanzen. Darüber hinaus identifizierte das internationale Forscherteam bei einigen Arten potenzielle Geschlechtschromosomen und gab so Aufschluss über die Entwicklung pflanzlicher Fortpflanzungsstrategien.
Die Studie, kürzlich veröffentlicht in Naturpflanzenlieferte auch Einblicke in bestimmte Pflanzenmerkmale. Beispielsweise entdeckten die Forscher neue Informationen über Gene, die an der Flavonoidproduktion (Pigmente, die vor UV-Strahlung schützen), der Stomatabildung (winzige Poren, die den Gasaustausch regulieren) und der Hormonsignalisierung beteiligt sind. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, unser Verständnis darüber zu verfeinern, wie sich frühe Landpflanzen an ihre neue, herausfordernde Umgebung angepasst haben.
Die umfangreiche genetische Untersuchung der Hornkrautgewächse im Rahmen des Forschungsprojekts macht sie im Verhältnis zur Gesamtartenzahl zur am gründlichsten sequenzierten Pflanzengruppe.
Durch die Erstellung eines umfassenden „Pan-Phylum“-Datensatzes für Hornkrautgewächse hat das Forschungsteam eine Ressource entwickelt, die Wissenschaftlern dabei helfen soll, zu verstehen, wie sich das Leben auf der Erde entwickelt hat. Es liefert Erkenntnisse darüber, wie sich Pflanzen an zukünftige Umweltherausforderungen anpassen könnten, und könnte Bemühungen zur Entwicklung widerstandsfähigerer Nutzpflanzen unterstützen.
„Unsere Forschung zeigt, wie wichtig es ist, verschiedene Organismen zu untersuchen, nicht nur bekannte Modellarten“, sagte Fay-Wei Li, außerordentliche Professorin am BTI und Hauptautorin. „Indem wir unser Wissen über Hornkraut erweitern, gewinnen wir ein umfassenderes Bild der Pflanzenentwicklung und der unglaublichen Vielfalt des Lebens auf unserem Planeten.“
Weitere Informationen:
Peter Schafran et al., Pan-Phylum-Genome von Hornkraut zeigen konservierte Autosomen, aber dynamische akzessorische und Geschlechtschromosomen, Naturpflanzen (2025). DOI: 10.1038/s41477-024-01883-w