Vor etwa 1,2 Milliarden Jahren wurde ein blaugrünes Bakterium von einer komplexeren Zelle verschlungen, was unseren Planeten veränderte und eine enorme Vielfalt an Pflanzen entstehen und sich weiterentwickeln ließ.
Das verschlungene Cyanobakterium – wegen seiner charakteristischen Pigmente manchmal auch als Blaualge bezeichnet – war in der Lage, einen Prozess namens Photosynthese durchzuführen, durch den die Energie der Sonne in chemische Energie umgewandelt werden kann. Zunächst war seine Beziehung zu der komplexeren Zelle symbiotisch. Sie lieferte die Nahrung und die andere Zelle bot Schutz. Im Laufe der Zeit wurde jedoch ein Großteil des genetischen Materials des photosynthetischen Bakteriums nach und nach auf die komplexere „Wirts“-Zelle übertragen, bis sie alleine nicht mehr überleben konnte.
„Dies ist die Ursprungsgeschichte für die Erzeugung der Zellorganelle, die für die photosynthetische Aktivität verantwortlich ist, die als Chloroplasten bezeichnet wird“, erklärte Victoria Calatrava von Carnegie. „Ein ähnlicher Prozess führte zur Evolution von Mitochondrien, den sogenannten Kraftwerken der Zelle, wo Energie durch den Abbau von Kohlenhydraten und Zucker gewonnen wird.“
Obwohl allgemein anerkannt wird, dass dies geschehen ist, gibt es immer noch vieles, was die Wissenschaftler nicht über den Prozess verstehen, durch den die Gene übertragen wurden und einen Symbionten in ein Organell verwandelten.
Calatrava untersuchte zusammen mit Arthur Grossman und Devaki Bhaya von Carnegie und in Zusammenarbeit mit dem Labor von Debashish Bhattacharya an der Rutgers University diesen Prozess, indem er einen Organismus namens Paulinella untersuchte. Diese Amöbe beherbergt eine sich noch entwickelnde Organelle namens Chromatophor, die aus einer viel jüngeren Verschlingung eines Cyanobakteriums stammt, die erst vor etwa 100 Millionen Jahren stattfand.
„Paulinellas gesamte Essgewohnheiten haben sich infolge dieses Ereignisses geändert, und jetzt wird ihre Ernährung durch photosynthetische Zucker versorgt, die im Chromatophor hergestellt werden“, erklärte Grossman. „Infolgedessen ist diese im Bau befindliche Organelle ein großartiges Analogon, um zu verstehen, wie sich ein kleines Cyanobakterium zu einem Chloroplasten entwickeln kann – ein bahnbrechendes Ereignis für unseren Planeten.“
Die Forscher zeigten, dass die Domestizierung des Cyanobakteriums, das sich gerade zum Chromatophor entwickelt – und zu Forschungszwecken als Ersatz für die Entwicklung eines alten Cyanobakteriums zum Chloroplasten dient – durch das erleichtert wurde, was Wissenschaftler als „Copy-Paste“ bezeichnen. Mechanismus namens Retrotransposition, bei dem RNA verwendet wurde, um Kopien der Gene des Symbionten in der DNA der Amöbe zu erstellen und sie an verschiedenen Positionen in ihr Genom einzufügen.
Die Forscher fanden heraus, dass die Multi-Site-Insertion, die sich aus dem Retrotranspositionsprozess ergibt, der Wirtsamöbe zugute kam, indem sie es ihr ermöglichte, die Kontrolle über die cyanobakteriellen Gene zu übernehmen und ihre Fähigkeit zu erhöhen, ihre Reaktion auf die Belastungen durch übermäßiges Licht zu regulieren – wenn die Zelle sehr anfällig wäre beschädigen.
„Die Amöbe ist eine komplexe Zelle innerhalb des eukaryotischen Reiches des Baumes des Lebens, und das symbiotische Bakterium ist eine primitivere Zelle innerhalb des prokaryotischen Reiches des Baumes des Lebens; zu verstehen, wie die Gene des letzteren funktionsfähig blieben, nachdem sie zwischen diesen übertragen wurden zwei Königreiche des Lebens ist immer noch eine offene Frage“, bemerkte Bhaya.
Da es sich um einen uralten Mechanismus handelt, der zwischen Organismen hochgradig konserviert ist, ist es vernünftig anzunehmen, dass die Retrotransposition entscheidend für die Evolution des Chloroplasten war und im weiteren Sinne die Existenz des gesamten Pflanzenlebens auf der Erde untermauern würde.