Evolutionsgeschichte der Pflanzen Als die Algen das Land betraten – Detailblick auf Zellwandbausteine

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Der Schritt vom Wasser an Land ist ein bedeutsames Ereignis in der Evolution von Pflanzen. Ein Kieler Forscherteam hat untersucht, welche Spuren noch heute in den Zellwänden von Algen auf den Landgang der Pflanzen im Erdaltertum hindeuten.

Kiel – Der Übergang vom Leben im Wasser zum dauerhaften Leben an Land stellte eine der größten Herausforderungen während der Evolution der Pflanzen dar. Vor etwa 500 Millionen Jahren gelang es einem evolutionären Vorläufer der heutigen Landpflanzen, diesen drastischen Lebensraumwechsel zu vollziehen und damit die Grundlage der heutigen Pflanzenvielfalt zu schaffen. Forscher aus der Abteilung für Pharmazeutische Biologie am Pharmazeutischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beschäftigen sich mit der Anpassung der pflanzlichen Zellwand an diese geänderten Bedingungen.

Als Kontaktpunkt der Pflanzen zur Umwelt ist die Zellwand wichtig. Ein näheres Verständnis des Überganges zum Landleben und den damit verbundenen neuen Stressfaktoren ermöglicht Rückschlüsse darauf, wie Pflanzen mit den klimatischen Veränderungen der sich wandelnden Umwelt besser umgehen können. Die Wissenschaftler vom Kiel Plant Center (KPC) haben gemeinsam mit einem multidisziplinären Team aus Hamburg und Innsbruck mit ihrer Arbeit neue Erkenntnisse über die Evolution einzelner Zellwandbestandteile gewonnen und so mehr über die Verwandtschaftsverhältnisse und den Ursprung von Algen und Landpflanzen erfahren.

Süßwasseralgen als evolutionäre Brücke zu Landpflanzen

Das CAU-Team um Dr. Lukas Pfeifer und Professorin Birgit Classen ist im deutschlandweiten Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) „MAdLand: Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre Anpassung der Pflanzen an Veränderung“ aktiv. Das Projekt soll diesen Übergang und die nötigen Veränderungen auf molekularer Ebene näher beleuchten.

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In der neuen Untersuchung konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Charakterisierung der Zellwände der Armleuchteralge Nitellopsis obtusa und der Jochalge Spirogyra pratensis. Beide Gruppen von Süßwasseralgen weisen eine enge evolutionäre Verwandtschaft mit den Landpflanzen auf, wobei in jüngerer Zeit gezeigt wurde, dass der evolutionäre Vorfahre der Landpflanzen der Gruppe der Jochalgen näherstand. Insbesondere die so genannten Arabinogalaktan-Proteine (AGPs) waren für die Kieler Forscher von großem Interesse, da sie in allen Landpflanzen vorhanden sind und eine wichtige Rolle in verschiedenen Prozessen des Lebenszyklus von Samenpflanzen spielen.

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Unterschied im Zellgrundgerüst entdeckt

Die analytischen Untersuchungen zeigten, dass ähnliche Strukturen in der näher verwandten Jochalge vorhanden sind, während sie in der evolutionär etwas entfernter verwandten Armleuchteralge nicht vorkommen. „Interessanterweise unterschieden sich die Kohlenhydratstrukturen aus der Jochalge Spirogyra auf den ersten Blick in ihrem Grundgerüst kaum von denen der Landpflanzen“, sagt Pfeifer, Erstautor der Studie. „Bei näherer Untersuchung zeigte sich allerdings, dass der essenzielle namensgebende Baustein Arabinose bei Spirogyra nahezu vollständig fehlte und durch einen anderen Zuckerbaustein, die so genannte Rhamnose, ersetzt wurde.“ Deshalb schlagen die Forscher den Namen Rhamnogalaktan-Proteine (RGP) für diese ungewöhnliche Gruppe von Molekülen vor.

Bausteine für die sexuelle Vermehrung von Algen

Das Forscherteam färbte in den Algenproben die für Landpflanzen typischen Arabinogalaktan-Proteine spezifisch ein. So zeigten die Wissenschaftler, dass die gefundenen Moleküle bei der geschlechtlichen Vermehrung der Algen in größerer Menge in den entsprechenden Zellen aufzufinden waren. „Das, was bei den Landpflanzen in erster Linie von den bestäubenden Insekten oder vom Wind übernommen wird, machen bei dieser Algengruppe die einzelnen Algen selbst, indem sie feste Verbindungen zwischen zwei Algen – so genannte Konjugationsbrücken – ausbilden“, erklärt Pfeifer.

„Unsere Ergebnisse sind auch deshalb sehr interessant, weil Arabinogalaktan-Proteine in Landpflanzen im Prozess der sexuellen Vermehrung als wichtige Signalmoleküle gelten“, erklärt Studienleiterin Classen. „Anscheinend waren die Vorläufermoleküle der AGPs, also die neu entdeckten Rhamnogalaktan-Proteine, bereits bei diesen Jochalgen wichtig für die sexuelle Fortpflanzung. Mit unseren neuen Ergebnissen kommen wir einem besseren Verständnis der Evolution und Funktion dieser Moleküle einen weiteren Schritt näher.“ Das Team hofft, die Untersuchung dieser für das Leben an Land offenbar essenziellen Zellwandbausteine in einer Fortführung des DFG-Schwerpunktprogramms auch künftig fortführen zu können.

Originalpublikation: Lukas Pfeifer, Jon Utermöhlen, Kathrin Happ, Charlotte Permann, Andreas Holzinger, Klaus von Schwartzenberg, Birgit Classen: Search for evolutionary roots of land plant arabinogalactan-proteins in charophytes: presence of a rhamnogalactan-protein in Spirogyra pratensis (Zygnematophyceae), The Plant Journal 109: 568-584; DOI: 10.1111/tpj.15577

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