Hundert Jahre altes Rätsel in der Botanik enthüllt wichtige Pflanzenanpassung an trockenes Land

Die grüne Welt, in der wir leben, wäre ohne versteckte Veränderungen des Pflanzenkörpers in den letzten 400 Millionen Jahren nicht möglich gewesen. Um außerhalb der feuchtesten Stellen an Land mehr als nur Zentimeter groß zu werden, mussten Pflanzen ihre wasserleitenden Gewebe neu anordnen, um sie vor Trockenheit zu schützen.

Eine neue Studie von Martin Bouda vom Institut für Botanik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und Co-Autoren, veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaftzeigt, wie die Lösung einer hundert Jahre alten Debatte in der Botanik eine Schlüsselanpassung enthüllt, die es Pflanzen ermöglichte, trockenes Land zu besiedeln.

Alle bis auf die kleinsten Pflanzen benötigen Gefäßgewebe, um ihren Körper mit Wasser zu versorgen und ein Austrocknen zu vermeiden, da sie Kohlenstoff aus der Umgebungsluft aufnehmen. Wenn eine Pflanze Dürre ausgesetzt ist, kann die Kette von Wassermolekülen, die den Stängel hochgezogen werden, brechen und eine Embolie bilden: eine Gasblase, die den Wassertransport in einem gesamten Gefäßkanal blockiert. Wenn sich die Embolie von diesem Kanal aus im Gewebe ausbreitet, wird das wasserführende Gefäßsystem der Pflanze effektiv blockiert, die Pflanze trocknet aus und stirbt ab.

Die neue Entdeckung zeigt, dass die ursprüngliche Anordnung des Gefäßgewebes – ein Zylinder in der Mitte des Stammes – zunehmend anfälliger für Embolien wird, die sich mit der Größe ausbreiten. „Wenn alle Leitungen zusammengebündelt sind, kann die Pflanze einer exponentiellen Ausbreitung der Embolie auf dem resultierenden Gefäßnetzwerk ausgesetzt sein. Wenn sie in einer langen, schmalen Form aufgereiht sind, muss die Embolie viele aufeinanderfolgende Zellwände überwinden, um sehr weit zu gehen, was die retten kann Pflanzenleben in einer Dürre“, sagt Dr. Bouda, der Hauptautor der Studie

Die ersten Gefäßpflanzen waren nur wenige Zentimeter groß und mussten dort leben, wo Wasser leicht verfügbar war. Um größer zu werden und die Landschaft zu erkunden, mussten sie zuerst Alternativen zu ihrer angestammten Gefäßanordnung finden. „Uns war aufgefallen, dass nur sehr wenige lebende Pflanzen das ursprüngliche Layout des Stängels beibehalten haben, der das Gefäßgewebe in einem Zylinder genau in der Mitte platziert. Dieses scheinbare Detail enthielt tatsächlich den Schlüssel zur Entschlüsselung dieser ganzen evolutionären Episode.“ fügt Bouda hinzu.

Der Fossilienbestand zeigt eine zunehmende Vielfalt in der Art und Weise, wie der Stamm zusammengebaut wird, so wie Pflanzen strahlenförmig aus Wasserquellen austreten. Vaskuläre Gewebeanordnungen diversifizieren sich und nehmen im Stamm eine Vielzahl von Formen an, von Ellipsen und Bändern über Sterne bis hin zu Ringen – divergierend in der Form, wahrscheinlich konvergent in der Funktion. Pflanzenlinien, die an Land erfolgreich waren, mussten jeweils ihre eigene Lösung für das Problem der Embolie finden. Die Stärke dieses evolutionären Drucks nimmt mit der Pflanzengröße zu.

Die Forschung löst ein hundert Jahre altes Rätsel der Botanik. Die Beobachtung, dass Gefäßgewebe in größeren Pflanzen immer komplexere Formen annehmen, wurde zuerst von FO Bower (Präsident der Royal Society of Edinburgh) und seinem Schüler CW Wardlaw gemacht. Bower stellte ihre Ergebnisse in seiner Eröffnungsrede auf der Versammlung der Gesellschaft im Jahr 1920 vor, konnte die Ergebnisse jedoch nicht erklären.

Ein Jahrhundert der Debatte einigte sich schließlich auf den unbequemen Konsens, dass die Komplexität der Xylem-Anordnungen einfach zufällig zunahm, als Pflanzenkörper wuchsen und sich verzweigten. Die neue Studie zeigt, dass Pflanzen trockenheitsresistente Gefäßanordnungen aufrechterhalten, indem sie die Breite des Gewebes einschränken. Mit zunehmender Größe muss das Gewebe längliche, schmale und immer komplexere Formen annehmen, was eine Antwort auf das Rätsel von Bower und Wardlaw liefert.

Die Forschung war eine Gemeinschaftsarbeit unter der Leitung von Dr. Bouda und Prof. Dr. Craig Brodersen von der Yale University (School of the Environment). Weitere Teammitglieder waren Kyra Prats (Yale School of the Environment), Brett Huggett (Bates College), Jay Wason (U. of Maine) und Jonathan Wilson (Haverford College).

Um ihre Hypothese zu bewerten, nahm das Wissenschaftlerteam Proben von Xylemsträngen lebender und ausgestorbener kernloser Gefäßpflanzen aus über 400 Millionen Jahren Evolution. Sie untersuchten die Packung von leitenden Zellen in verschiedenen Gefäßstrangformen und analysierten die Topologie der resultierenden Leitungsnetzwerke. Numerische Simulationen, wie sich eine dürreinduzierte Embolie durch die Gefäßnetzwerke echter und idealisierter Pflanzen ausbreitet, um tödlich zu werden, bestätigten, dass ein hydraulisches Versagen engere, zunehmend komplexere Formen wählen sollte.

„Durch die Entwicklung neuer Methoden zur Quantifizierung, wie die Topologie des Leitungsnetzwerks die Ausbreitung von Embolien beeinflusst, und durch die Anwendung dieser Methoden sowohl auf den frühen Fossilienbestand als auch auf lebende Pflanzen konnten wir die Frage endlich richtig stellen“, sagt Dr. Bouda.

Zu den Anwendungen dieses grundlegenden Fortschritts gehört das Potenzial, die Dürreresistenz in Pflanzenzüchtungsprogrammen für ein sich änderndes Klima zu gewährleisten. „Jetzt, da wir besser verstehen, wie die Gefäßsysteme zusammengesetzt sind und wie dies die Fähigkeit einer Pflanze beeinflusst, Trockenheit zu tolerieren, könnten solche Dinge als Ziel für Zuchtprogramme verwendet werden“, sagt Prof. Brodersen.

Folgeforschungen werden fragen, wie Pflanzen die neu entdeckten Beschränkungen umgehen, um holzige Wuchsformen zu erreichen.