Aufklärung der Evolutionsgeschichte der nächsten Algen-Verwandten von Landpflanzen

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter gemeinsamer Leitung der Universitäten Göttingen und Köln hat die Evolutionsgeschichte der Zygnematophyten entschlüsselt. Ihre Ergebnisse zeigen die internen Beziehungen in dieser Algengruppe unter Verwendung modernster phylogenomischer Analysen und zeigen die Entstehung von Algenmehrzelligkeit auf. Die Ergebnisse wurden in dem Artikel „A phylogenomically informiert five-order system for the next relateds of land plant“ in der Fachzeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.

Landpflanzen sind in ihrer Struktur äußerst vielfältig und stellen die komplexesten photosynthetischen Organismen dar. Ihre nächsten Verwandten, die konjugierenden Grünalgen (Zygnematophyceae), haben dagegen viel einfachere Körperbaupläne. Diese Algen sind entweder einzellig oder bilden unverzweigte Filamente, was traditionell verwendet wurde, um diese Algen grob in einzellige und fadenförmige Taxa zu klassifizieren. Die Zygnematophyceae umfassen etwa 4.000 Arten und weisen eine faszinierende morphologische Vielfalt auf – von den schönen Desmiden bis zu fadenförmigen Arten, die für den Teichschlamm verantwortlich sind.

Das wissenschaftliche Interesse an dieser Algengruppe ist derzeit sehr groß, da die Forschung der letzten Jahre ergeben hat, dass diese Algen die nächsten Verwandten der Landpflanzen sind. Die Wissenschaftler waren von diesem Befund überrascht, da die Baupläne der Zygnematophyten weniger komplex sind als die anderer Algen, die zuvor fälschlicherweise als die nächsten Verwandten der Landpflanzen angesehen wurden. Die Tatsache, dass sich die Zygnematophyceae vor etwa 550 Millionen Jahren von ihrem letzten gemeinsamen Vorfahren mit Pflanzen entfernten und seitdem ihren eigenen evolutionären Weg einschlugen, könnte der Grund für diese deutliche morphologische Trennung sein.

Das Forscherteam verwendete Hunderte von Genen, um Zehntausende der molekularen Merkmale zu sammeln, die verwendet werden konnten, um auf die tiefen Beziehungen innerhalb der Zygnematophyceae zu schließen. „Die Taxonomie dieser Algen war jahrzehntelang ein ungelöstes Problem, da Analysen mit einzelnen oder wenigen Genen nicht die Kraft hatten, alte evolutionäre Spaltungen aufzulösen. Jetzt stellen wir ein phylogenetisch informiertes System der fünf Ordnungen der Zygnematophyten vor, das Wissenschaftlern helfen wird in der evolutionären Vielfalt dieser Algen zu navigieren“, sagt Dr. Sebastian Hess (Universität zu Köln).

Darüber hinaus lieferte der neue Datensatz die Grundlage für statistische Analysen, die es den Forschern ermöglichten, das wahrscheinlichste Muster der Entwicklung des Körperplans in dieser wichtigen Algenklasse zu rekonstruieren. Diese Analysen deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Zygnematophyten eine einzellige Alge war und dass das Fadenwachstum in diesen Algen mehrmals unabhängig voneinander auftrat.

Professor Dr. Jan de Vries (Universität Göttingen) sagt: „Die Evolution dieser Algen hatte tiefgreifende Auswirkungen auf das Leben auf der Erde. Die heutigen Landpflanzen haben ausgefeilte vielzellige Körper, die den überwiegenden Teil der Biomasse an Land ausmachen. Der Forschung am nächsten.“ Algen-Verwandte erlauben es uns, auf Merkmale wie den Körperplan des letzten gemeinsamen Vorfahren von Landpflanzen und Algen und die Evolutionspfade, die seit ihrer Divergenz aufgezeichnet wurden, zu schließen.

Ein weiterer wichtiger Teil der Studie war die Wiederentdeckung von Mougeotiopsis, einer Fadenalge, die ursprünglich vor etwa 120 Jahren beschrieben und seitdem nicht mehr untersucht wurde. Dieser Alge fehlen Pyrenoide, die Chloroplasten-Substrukturen, die die CO2-Fixierung während der Photosynthese unterstützen, und stellt, wie die Forscher zeigen, einen weiteren Evolutionszweig der Zygnematophyten dar, der ein vielzelliges Wachstum zeigt.

Anna Busch (Universität Köln), die die Alge lichtmikroskopisch untersuchte, erklärte: „Die phylogenetische Stellung von Mougeotiopsis war eine große Überraschung. Die Fadenalge ist am engsten mit einfachen, einzelligen Arten verwandt und hat keine Pyrenoide außergewöhnlich für alle anderen bekannten Zygnematophyten.“

Die Evolutionsgeschichte von Mougeotiopsis markiert eine der fünf Entstehungen von echtem filamentösem Wachstum innerhalb der Zygnematophyceae. „Solche Erkenntnisse und der neue phylogenomische Rahmen sind grundlegend für die angemessene Durchführung zukünftiger vergleichender Analysen und für Rückschlüsse auf die Entwicklung von Zellmerkmalen und Körperbauplänen von Algen bis zu Pflanzen“, sagte de Vries.