Die Erdoberfläche ist von Pflanzen bedeckt. Sie machen den Großteil der Biomasse an Land aus und weisen eine große Vielfalt auf, von Moosen bis hin zu Bäumen. Diese erstaunliche Artenvielfalt entstand durch ein schicksalhaftes evolutionäres Ereignis, das nur einmal stattfand: die Terrestrialisierung der Pflanzen. Dies beschreibt den Punkt, an dem sich eine Gruppe von Algen, deren moderne Nachkommen noch immer im Labor untersucht werden können, zu Pflanzen entwickelte und in Land auf der ganzen Welt eindrang.
Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung eines Teams der Universität Göttingen hat groß angelegte Genexpressionsdaten generiert, um die molekularen Netzwerke zu untersuchen, die in einer der engsten Algenverwandten von Landpflanzen, einer bescheidenen einzelligen Alge namens Mesotaenium, funktionieren endlicherianum. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturpflanzen.
Mit einem Stamm von Mesotaenium endlicherianum, der seit über 25 Jahren in der Algenkultursammlung der Universität Göttingen (SAG) sicher aufbewahrt wird, und dem dortigen einzigartigen Versuchsaufbau setzten die Forscher Mesotaenium endlicherianum einem kontinuierlichen Bereich unterschiedlicher Lichtintensitäten und Temperaturen aus.
Janine Fürst-Jansen, Forscherin an der Universität Göttingen, erklärt: „Unsere Studie begann damit, die Grenzen der Widerstandsfähigkeit der Alge zu untersuchen – sowohl gegenüber Licht als auch gegenüber Temperatur. Wir haben sie einem breiten Temperaturbereich von 8 °C bis 29 °C ausgesetzt.“ Wir waren fasziniert, als wir anhand unserer eingehenden physiologischen Analyse das Zusammenspiel zwischen einer breiten Temperatur- und Lichttoleranz beobachteten.“
Wie die Algen reagieren, wurde nicht nur auf morphologischer und physiologischer Ebene untersucht, sondern auch durch das Auslesen der Informationen von etwa 10 Milliarden RNA-Schnipseln. Die Studie untersuchte mithilfe der Netzwerkanalyse das gemeinsame Verhalten von fast 20.000 Genen gleichzeitig. In diesen gemeinsamen Mustern wurden „Hub-Gene“ identifiziert, die eine zentrale Rolle bei der Koordinierung der Genexpression als Reaktion auf verschiedene Umweltsignale spielen. Dieser Ansatz lieferte nicht nur wertvolle Erkenntnisse darüber, wie die Genexpression von Algen als Reaktion auf unterschiedliche Bedingungen reguliert wird, sondern in Kombination mit evolutionären Analysen auch, wie diese Mechanismen sowohl bei Landpflanzen als auch bei ihren Algenverwandten gemeinsam sind.
Professor Jan de Vries von der Universität Göttingen sagt: „Das Einzigartige an der Studie ist, dass unsere Netzwerkanalyse auf ganze Werkzeugkästen genetischer Mechanismen hinweisen kann, von denen nicht bekannt war, dass sie in diesen Algen wirken. Und wenn wir uns diese genetischen Werkzeugkästen ansehen.“ Wir stellen fest, dass sie über mehr als 600 Millionen Jahre Pflanzen- und Algenentwicklung hinweg gemeinsam sind.“
Als Armin Dadras, Ph.D. Student an der Universität Göttingen erklärt: „Unsere Analyse ermöglicht es uns zu identifizieren, welche Gene in verschiedenen Pflanzen und Algen zusammenarbeiten. Es ist, als würde man herausfinden, welche Noten in verschiedenen Liedern konsistent harmonieren. Diese Erkenntnisse helfen uns, langfristige evolutionäre Muster aufzudecken und zeigen, wie.“ Bestimmte wesentliche genetische „Noten“ sind bei einer Vielzahl von Pflanzenarten gleich geblieben, ähnlich wie zeitlose Melodien, die in verschiedenen Musikgenres nachhallen.“
Mehr Informationen:
Armin Dadras et al., Umweltgradienten offenbaren Stresszentren vor der Terrestrialisierung von Pflanzen, Naturpflanzen (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01491-0