„Pflanzen, ob sie riesig oder mikroskopisch klein sind, sind die Grundlage allen Lebens, einschließlich uns selbst.“ Dies war die Einführung von David Attenborough Der grüne Planetdie neuste naturhistorische Serie der BBC.
In den letzten 500 Millionen Jahren sind Pflanzen in jeden Aspekt unseres Lebens eingewoben. Pflanzen Unterstützung alles andere Leben heute auf der Erde. Sie liefern den Sauerstoff zum Atmen, reinigen die Luft und kühlen die Temperatur der Erde. Aber ohne Wasser würden Pflanzen nicht überleben. Ursprünglich in aquatischen Umgebungen gefunden, gibt es schätzungsweise rund 500.000 Landpflanzenarten, die von einem einzigen Vorfahren abstammen, der durch das Wasser trieb.
In unserem jüngsten Artikel, veröffentlicht in Neuer Phytologeuntersuchen wir auf genetischer Ebene, wie Pflanzen gelernt haben, Wasser zu nutzen und zu manipulieren – von den ersten winzigen moosartigen Pflanzen, die im Kambrium (vor etwa 500 Millionen Jahren) an Land lebten, bis hin zu den riesigen Bäumen, die komplexe Wälder bilden Ökosysteme von heute.
Wie sich Pflanzen entwickelt haben
Durch den Vergleich von mehr als 500 Genomen (der DNA eines Organismus) zeigen unsere Ergebnisse, dass verschiedene Teile der Pflanzenanatomie, die am Wassertransport beteiligt sind – Poren (Stomata), Gefäßgewebe, Wurzeln – mit unterschiedlichen Methoden der Genevolution in Verbindung stehen. Dies ist wichtig, weil es uns sagt, wie und warum Pflanzen sich zu bestimmten Zeitpunkten in ihrer Geschichte entwickelt haben.
Die Beziehung der Pflanzen zum Wasser hat sich in den letzten 500 Millionen Jahren dramatisch verändert. Vorfahren von Landpflanzen hatten eine sehr begrenzte Fähigkeit, Wasser zu regulieren, aber Nachkommen von Landpflanzen haben sich an ein Leben in trockeneren Umgebungen angepasst. Bei Pflanzen erstes kolonisiertes Land, brauchten sie einen neuen Weg, um auf Nährstoffe und Wasser zuzugreifen, ohne darin eingetaucht zu sein. Die nächste Herausforderung war Erhöhung der Größe und Statur. Schließlich entwickelten sich Pflanzen, um in trockenen Umgebungen zu leben wie Wüsten. Die Evolution dieser Gene war entscheidend für das Überleben von Pflanzen, aber wie halfen sie den Pflanzen, sich zuerst anzupassen und dann an Land zu gedeihen?
Stomata, die winzigen Poren in der Oberfläche von Blättern und Stängeln, öffnen sich, um die Aufnahme von Kohlendioxid zu ermöglichen, und schließen sich, um den Wasserverlust zu minimieren. Unsere Studie ergab, dass die Gene, die an der Entwicklung von Stomata beteiligt sind, in den ersten Landpflanzen lagen. Dies weist darauf hin, dass die ersten Landpflanzen über die genetischen Werkzeuge verfügten, um Stomata zu bauen, eine Schlüsselanpassung für das Leben an Land.
Die Geschwindigkeit, in der Stomata reagieren unterschiedlich zwischen Arten. Beispielsweise schließen sich die Stomata eines Gänseblümchens schneller als die eines Farns. Unsere Studie legt nahe, dass sich die Spaltöffnungen der ersten Landpflanzen zwar schlossen, diese Fähigkeit sich jedoch im Laufe der Zeit dank der Genduplikation beschleunigte, als sich die Arten reproduzierten. Die Genduplikation führt zu zwei Kopien eines Gens, wodurch eine davon ihre ursprüngliche Funktion ausführen und die andere eine neue Funktion entwickeln kann. Mit diesen neuen Genen konnten sich die Stomata von Pflanzen, die aus Samen wachsen (statt sich über Sporen zu vermehren), schneller schließen und öffnen, wodurch sie sich besser an Umweltbedingungen anpassen konnten.
Alte Gene und neue Tricks
Gefäßgewebe ist das Rohrleitungssystem einer Pflanze, das es ihr ermöglicht, Wasser nach innen zu transportieren und an Größe und Statur zu wachsen. Wenn Sie jemals die Ringe eines gefällten Baumes gesehen haben, sind dies die Überreste des Wachstums von Gefäßgewebe.
Wir fanden heraus, dass sich Gefäßgewebe nicht durch neue Gene entwickelt, sondern durch einen Prozess des genetischen Herumbastelns entstanden ist. Hier wurden alte Gene umfunktioniert, um neue Funktionen zu erhalten. Das zeigt, dass Evolution nicht immer mit neuen Genen stattfindet, sondern dass alte Gene neue Tricks lernen können.
Vor dem Umzug an Land wurden Pflanzen in Süßwasser- und Meereslebensräumen gefunden, wie z. B. die Algengruppe Spirogyra. Sie schwammen und nahmen das Wasser um sich herum auf. Der Entwicklung der Wurzeln ermöglichte den Pflanzen den Zugang zu Wasser aus tieferen Böden und bot eine Verankerung. Wir fanden heraus, dass einige neue Schlüsselgene in den Vorfahren von Pflanzen, die auf Land leben, und Pflanzen mit Samen entstanden sind, die der Entwicklung von Wurzelhaaren und Wurzeln entsprechen. Dies zeigt die Bedeutung eines komplexen Wurzelsystems, das alten Pflanzen den Zugang zu zuvor nicht verfügbarem Wasser ermöglicht.
Die Entwicklung dieser Merkmale bei jedem wichtigen Schritt in der Geschichte der Pflanzen unterstreicht die Bedeutung des Wassers als Motor der Pflanzenevolution. Unsere Analysen werfen ein neues Licht auf die genetischen Grundlagen der Begrünung des Planeten und heben die unterschiedlichen Methoden der Genevolution bei der Diversifizierung des Pflanzenreichs hervor.
Pflanzen für die Zukunft
Diese Arbeit hilft uns nicht nur, die Vergangenheit zu verstehen, sondern ist auch wichtig für die Zukunft. Indem wir verstehen, wie sich Pflanzen entwickelt haben, können wir beginnen, die limitierenden Faktoren für ihr Wachstum zu verstehen. Wenn Forscher die Funktion dieser Schlüsselgene identifizieren können, können sie damit beginnen, die Wassernutzung und die Dürreresistenz bei Nutzpflanzenarten zu verbessern. Dies hat besondere Bedeutung für die Ernährungssicherheit.
Pflanzen können auch der Schlüssel zur Lösung einiger der drängendsten Fragen sein der Menschheit gegenüberwie z. B. die Verringerung unserer Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln, die Verbesserung der Nachhaltigkeit unserer Lebensmittel und die Reduzierung unserer Treibhausgasemissionen.
Durch die Identifizierung der Mechanismen, die das Pflanzenwachstum steuern, können Forscher damit beginnen, widerstandsfähigere, effizientere Nutzpflanzenarten zu entwickeln. Diese Pflanzen würden weniger Platz, Wasser und Nährstoffe benötigen und wären nachhaltiger und zuverlässiger. Mit Natur im Niedergangist es wichtig, Wege zu finden, um auf unserem grünen Planeten harmonischer zu leben.
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