Genetische Geheimnisse der Pflanzenanpassung Wie Ananasgewächse Wasser sparen

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Hitze und Trockenheit stresst auch die Pflanzenwelt. In der Evolution der Ananasgewächse hat sich ein wassersparender Photosynthesemechanismus durchgesetzt. Nun haben Forscher ergründet, dass dabei vor allem die Genregulation entscheidend ist, anstatt eine permanente Veränderung von Gensequenzen.

Der Klimawandel sorgt immer öfter für Hitze und Trockenheit. Doch auch vorher schon haben einige Pflanzenarten eine wassersparende Eigenschaft entwickelt, die als „Crassulacean Acid Metabolism“ (CAM) bezeichnet wird. CAM-Pflanzen optimieren ihre Wassernutzungseffizienz: Während andere Pflanzen normalerweise tagsüber ihre winzigen Poren in den Blättern (Stomata) öffnen, um Kohlendioxid für die Photosynthese aufzunehmen, tun CAM-Pflanzen dies nachts und speichern das CO₂ für eine spätere Verwendung. Dadurch kommen sie mit weniger Wasser aus. Diese Eigenschaft hat sich im Pflanzenreich mehrfach unabhängig voneinander entwickelt und ist etwa den meisten Tillandsia-Arten gegeben, der artenreichsten Gattung der Ananasgewächse (Bromeliaceae). Die Evolution der komplexen genetischen Grundlage der CAM ist jedoch schwer zu fassen und daher ein Forschungsschwerpunkt der Evolutionsbiologie.

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Regulation als Evolution

In einer Studie unter Federführung der Universität Wien konzentrierte sich das Forschungsteam auf zwei Tillandsia-Arten mit unterschiedlichen Photosyntheseformen – CAM vs. C3. Dabei fehlt der C3-Art die spezielle Anpassung an wasserarme Bedingungen. Durch Analyse der Genanordnung, der molekularen Evolution sowie der Evolution von Genfamilien, der zeitlichen Variation der Genexpression und der Metaboliten fanden die Forscher heraus, dass Veränderungen in der Genregulation hauptsächlich für die genomischen Mechanismen verantwortlich sind, die die CAM-Evolution bei Tillandsia vorantreiben.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Genome von Tillandsia, wie auch die anderer Pflanzen, zwar stark verändert wurden, die Anpassung der Funktionsweise der Photosynthese aber vorwiegend durch die Regulation von Genen erfolgt und nicht durch die Veränderung von Gensequenzen, die für Proteine kodieren“, erklärt Clara Groot Crego vom Department für Botanik und Biodiversitätsforschung der Universität Wien, Erstautorin der Studie. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört die Identifizierung von CAM-verwandten Genfamilien, die in CAM-Arten eine beschleunigte Expansion erfahren. Dies unterstreicht die entscheidende Rolle der Evolution von Genfamilien bei der Entstehung neuer Variationen, die die CAM-Evolution vorantreiben.

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Wie die Wissenschaftler sagen, hat sich der wassersparende Crassulacean Acid Metabolism wiederholt in verschiedenen Tillandsia-Arten entwickelt und deren Fähigkeit beschleunigt, neue ökologische Nischen zu besetzen. „Dies ist ein entscheidender Faktor für die ungezügelte Artenvielfalt innerhalb dieser Gruppe“, bewertet Ovidiu Paun von der Universität Wien und wissenschaftlicher Leiter der Studie. „Unsere Forschung unterstreicht die potenzielle Bedeutung genetischer Innovationen, die über einfache Basenpaarveränderungen hinausgehen und die ökologische Diversifizierung vorantreiben“, führt Paun aus.

Thibault Leroy, wissenschaftlicher Leiter des Projekts am Institut national de la recherche agronomique (Inrae) in Toulouse, Frankreich, betont, dass die Bedeutung der Studie über die Grundlagenforschung hinausgeht: „Wenn wir verstehen, wie sich CAM entwickelt hat, können wir Strategien entwickeln, um Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Wasserknappheit und den Klimawandel zu machen.“ In einem neuen Kooperationsprojekt, das gemeinsam vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der französischen Agence Nationale de la Recherche (ANR) finanziert wird, sollen die Untersuchungen auf weitere Arten dieser und anderer Pflanzengruppen ausgeweitet werden.

Originalpublikation: Clara Groot Crego, Jaqueline Hess, Gil Yardeni, Marylaure de La Harpe, Clara Priemer, Francesca Beclin, Sarah Saadain, Luiz A. Cauz-Santos, Eva M. Temsch, Hanna Weiss-Schneeweiss, Michael H.J. Barfuss, Walter Till, Wolfram Weckwerth, Karolina Heyduk, Christian Lexer, Ovidiu Paun, Thibault Leroy: CAM evolution is associated with gene family expansion in an explosive bromeliad radiation, Plant Cell; DOI: 10.1093/plcell/koae130

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