Neuer Stammbaum der Tomaten- und Kartoffelfamilie zeigt, dass sich Fruchtfarbe und -größe gemeinsam entwickelt haben

Die Früchte der Solanum-Pflanzen, einer Gruppe aus der Familie der Nachtschattengewächse, sind unglaublich vielfältig und reichen von großen roten Tomaten und violetten Auberginen bis hin zu den giftigen grünen Beeren von Kartoffelpflanzen. Ein neuer und verbesserter Stammbaum dieser Gruppe, der von einem internationalen Team unter der Leitung von Forschern der Penn State erstellt wurde, hilft, die erstaunliche Vielfalt der Fruchtfarben und -größen und ihre mögliche Entwicklung zu erklären.

Das Team fand heraus, dass Größe und Farbe der Früchte gemeinsam entstanden und dass fruchtfressende Tiere nicht die Haupttreiber der Fruchtentwicklung waren, wie bisher angenommen. Die Studie, veröffentlicht im Journal Neuer Phytologekönne auch Erkenntnisse für die Züchtung landwirtschaftlich wichtiger Pflanzen mit wünschenswerteren Eigenschaften liefern, sagten die Forscher.

„Die Gattung Solanum umfasst etwa 1.300 Arten, was sie zu einer der vielfältigsten Pflanzengattungen der Welt macht“, sagte João Vitor Messeder, Doktorand in Ökologie und Biologie am Penn State Eberly College of Science und Huck Institutes for the Life Sciences und Hauptautor der Studie.

„Seit den 1970er und 1980er Jahren vermuten Forscher, dass Vögel, Fledermäuse und andere fruchtfressende Tiere die Evolution von Früchten wie denen von Solanum vorangetrieben haben. Die Bedeutung der Evolutionsgeschichte der Pflanzen wurde jedoch bei der Bewertung der Diversifizierung fleischiger Früchte unterschätzt oder selten berücksichtigt.

„Um diese Hypothese besser testen zu können, mussten wir zunächst eine robustere Phylogenese oder einen Stammbaum dieser Pflanzengruppe erstellen, um unser Verständnis der Beziehungen zwischen den Arten zu verbessern.“

Pflanzen der Gattung Solanum produzieren Früchte in einer Vielzahl von Größen, Farben und Nährwerten. Sie können schwarz, violett, rot, grün, gelb oder orange erscheinen und ihre Größe reicht von weniger als einem Viertel Zoll bis zu 8 Zoll oder 0,5 bis 20 Zentimetern.

Zusätzlich zu den landwirtschaftlich wichtigen Pflanzen werden einige Pflanzen dieser Gruppe wegen ihrer dekorativen Blüten kultiviert und die Früchte vieler dieser Pflanzen werden von Menschen und einer großen Vielfalt von Tieren gegessen, darunter Vögel, Fledermäuse, Reptilien, Primaten und andere Landsäugetiere.

Die Forscher sammelten Pflanzenproben aus aller Welt, darunter Wildpflanzen aus Brasilien, Peru und Puerto Rico sowie Pflanzen aus botanischen Gärten, und sequenzierten ihre Gene anhand der RNA.

Sie ergänzten die Daten mit zuvor gesammelten Proben und öffentlich verfügbaren Daten und verglichen schließlich die Sequenzen von 1.786 Genen von insgesamt 247 Arten, um den Solanum-Stammbaum zu rekonstruieren. Dieser umfasste Vertreter aller 10 Hauptgruppen – der Zweige des Baums – und 39 der 47 Nebengruppen innerhalb der Gattung.

„Indem wir Tausende von Genen verwendeten, die mehreren Arten gemeinsam sind und somit praktisch die gesamte Gattung repräsentieren, konnten wir den Solanum-Stammbaum deutlich verbessern und ihn zum bislang umfassendsten machen“, sagte Messeder, der die Forschung im Labor von Hong Ma durchführte, Inhaber des Huck-Lehrstuhls für pflanzliche Fortpflanzungsentwicklung und -evolution und Professor für Biologie an der Pennsylvania State University sowie Mitautor der Abhandlung.

„Dank jüngster technologischer Fortschritte konnten wir mehr Gene verwenden als in früheren Studien, in denen es bei der Klärung der Beziehungen zwischen Arten und Kladen viele Herausforderungen gab. Dieser verbesserte Baum hilft uns zu verstehen, wann unterschiedliche Fruchtfarben und -größen entstanden oder wie sie sich mit der Entstehung neuer Pflanzenarten veränderten.“

Die Forscher konnten die kleineren Zweige der Gruppe, zu der Kartoffeln und Tomaten sowie deren eng und entfernter verwandte Wildarten gehören, deutlich besser auflösen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten laut den Forschern zur Verbesserung von Nutzpflanzenprogrammen für diese Arten und andere Nutzpflanzen der Gattung beitragen.

„Wenn die nächsten wilden Verwandten wichtiger landwirtschaftlicher Nutzpflanzen wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, ist es möglich, Nutzpflanzen mit diesen Arten zu züchten oder ihre Gene zu übernehmen, um beispielsweise die Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturen oder Schädlinge zu verbessern oder größere Früchte oder Früchte einer bestimmten Farbe zu produzieren“, sagte Messeder.

Die Forscher fanden heraus, dass die Farbe und Größe der Solanum-Früchte im Laufe der Evolutionsgeschichte relativ konstant geblieben sind, was bedeutet, dass eng verwandte Arten dazu neigen, ähnliche Früchte zu haben. Die Evolution der Fruchtfarbe und -größe ist ebenfalls korreliert, wobei Veränderungen in einem Merkmal oft mit Veränderungen in dem anderen einhergehen, was dazu führt, dass Früchte bestimmter Farben größer sind als Früchte anderer Farben.

„Diese Ergebnisse legen nahe, dass physiologische und molekulare Mechanismen eine Rolle dabei spielen könnten, die Evolution von Fruchtfarbe und -größe miteinander zu verbinden“, sagte Messeder. „Obwohl Fruchtfresser – also Tiere, die sich hauptsächlich von Früchten ernähren – und Samenverbreiter die Diversifizierung beeinflussen könnten, müssen wir alle Möglichkeiten in Betracht ziehen, wenn wir untersuchen, wie Früchte so vielfältig wurden.“

Die Forscher konnten außerdem den Ursprung und die zeitliche Abfolge der Diversifizierung dieser Gattung klären. Dies gelang unter anderem durch die Einbeziehung neuerer Informationen aus dem ältesten Fossil eines Nachtschattengewächses – aus einer anderen Gattung der Nachtschattengewächse, deren Fossil auf ein Alter von etwa 52 Millionen Jahren datiert wurde – sowie aus bestimmten Genen, die die Schätzung der Länge evolutionärer Zweige verbesserten.

Die Forscher datierten den Ursprung von Solanum auf etwa 53,1 Millionen Jahre vor heute – volle 30 Millionen Jahre früher als frühere Schätzungen, die auf Genen aus anderen Teilen der Pflanzenzelle basierten. Dies zeichnet ein neues Bild der Umwelt, die möglicherweise die Diversifizierung dieser Pflanzen in neue Gruppen und Arten beeinflusst hat.

„Die Umwelt der Erde hat sich in den 30 Millionen Jahren in Bezug auf Temperatur, Kohlendioxid in der Atmosphäre, Geografie und Tiervielfalt dramatisch verändert“, sagte Messeder. „Jetzt, da wir wissen, wann Solanum und seine Untergruppen entstanden, können wir über die Bedingungen nachdenken, die die Diversifizierung dieser Gruppe gefördert haben könnten, und darüber, welche Rolle andere Organismen dabei gespielt haben könnten.“

Das Team fand heraus, dass die frühesten Vertreter der Solanum-Gruppe mittelgroße Beeren besaßen, die auch bei Reife grün blieben, und dass die Vielfalt der grünen und gelben Früchte dieser Gruppe vor etwa 14 Millionen Jahren zunahm.

Die Forscher spekulierten, dass Fledermäuse bei dieser Diversifizierung eine Rolle gespielt haben könnten, da sie einen ähnlichen evolutionären Zeitablauf haben und die heutigen grünen und gelben Solanum-Früchte vorwiegend von ihnen verbreitet wurden. Als zu dieser Zeit neue Fledermausarten entstanden und sich in ihren Lebensräumen ausbreiteten, fraßen sie Solanum-Früchte und trugen deren Samen in neue Lebensräume.

Als nächstes möchten die Forscher untersuchen, wie moderne Interaktionen zwischen Tieren und den Früchten, die sie essen, Licht auf die Evolution beider Gruppen werfen können. Darüber hinaus wollen sie die Evolution bestimmter Gene erforschen, die für die Farbe und Größe der Früchte relevant sind.