Eine neue Studie hat faszinierende Einblicke in die Evolution der Pflanzenbiologie gewonnen und damit die Geschichte der Pflanzenentwicklung in den letzten Milliarden Jahren neu geschrieben.
Die heute veröffentlichte Studie in Naturpflanzenzeigt, dass Pflanzen im Laufe der Zeit nach und nach ihr Spektrum an anatomischen Designs weiterentwickelt haben, unterbrochen von episodischen Innovationsschüben, um Umweltherausforderungen zu bewältigen und sich an sie anzupassen.
Solche Erkenntnisse widerlegen die lang gehegte Annahme, dass sich die Grundpalette der Pflanzenarten, ähnlich wie bei den Tieren, in einem großen Ausbruch plötzlicher Veränderungen zu Beginn ihrer Evolutionsgeschichte entwickelt habe.
Co-Hauptautor Philip Donoghue, Professor für Paläobiologie an der Universität Bristol, sagte: „Obwohl Pflanzen in ihrer Gestaltung und Organisation außerordentlich vielfältig sind, haben sie einen gemeinsamen Vorfahren, der vor mehr als einer Milliarde Jahren im Meer entstand.“
„Wir wollten testen, ob sie sich wirklich zu Beginn ihrer Geschichte mit einem Urknall entwickelt haben oder ob ihre Evolution ein langsamerer und kontinuierlicherer Prozess war. Überraschenderweise zeigten die Ergebnisse, dass die Pflanzenentwicklung eher eine Mischung war, mit langen Perioden allmählicher Veränderung.“ unterbrochen von kurzen Ausbrüchen groß angelegter Innovationen zur Bewältigung der Herausforderungen des Lebens auf dem Trockenen.
Um diese Theorie zu testen, analysierte das Wissenschaftlerteam die Ähnlichkeiten und Unterschiede von 248 Pflanzengruppen, von einzelligen Teichschlamm und Algen bis hin zu Landpflanzen, darunter alles von Moosen und Farnen bis hin zu Kiefern, Nadelbäumen und Blütenpflanzen. Sie untersuchten außerdem 160 ausgestorbene Gruppen, die nur aus Fossilien bekannt sind, darunter Arten aus dem devonischen Rhynie Chert, die vor mehr als 400 Millionen Jahren lebten.
Mehr als 130.000 Beobachtungen wurden generiert, indem Pflanzendesigns in ihre Bestandteile zerlegt und diejenigen erfasst wurden, die in jeder der Hauptgruppen, lebend und fossil, vorhanden oder nicht vorhanden waren. Mit computergestützten statistischen Techniken wurden die allgemeinen Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Gruppen und deren Variation im Laufe der Zeit gemessen.
Die Wissenschaftler versuchten auch herauszufinden, was zu diesen evolutionären Innovationen führte, wie etwa der Einführung von Sporen, Samen, Wurzeln, Blättern, Pollen und Blüten.
Co-Hauptautor Dr. James Clark, wissenschaftlicher Mitarbeiter in den Biowissenschaften an der Universität Bristol, sagte: „Wir haben festgestellt, dass Veränderungen im anatomischen Design von Pflanzen im Zusammenhang mit Ereignissen auftreten, bei denen die gesamte zelluläre genetische Ausstattung verdoppelt wurde. Dies ist geschehen.“ Viele Male in der Evolutionsgeschichte der Pflanzen wurden aufgrund von Fehlern beim Kopiervorgang des Genoms doppelte Kopien von Genen erstellt, die frei mutieren und neue Funktionen entwickeln können.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die wichtigsten Impulse der anatomischen Evolution der Pflanzen mit der Herausforderung des Lebens und der Fortpflanzung in zunehmend trockenen Umgebungen verbunden sind, verbunden mit dem fortschreitenden Auftauchen von Pflanzen vom Meer an Land.
Die Faszination des Co-Hauptautors Dr. Sandy Hetherington für die Entwicklung von Landpflanzen begann als angehender Geologe an der Universität Bristol und setzt sich nun in seiner Arbeit an der Universität Edinburgh fort.
Er sagte: „Insgesamt stimmt das Muster der episodischen Impulse in der Entwicklung der anatomischen Strukturen von Pflanzen mit dem überein, das man in anderen mehrzelligen Reichen komplexen Lebens wie Tieren und Pilzen sieht Beginn.“
Mehr Informationen:
James W. Clark et al., Evolution der phänotypischen Disparität im Pflanzenreich, Naturpflanzen (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01513-x