Genom von drei fleischfressenden Pflanzen entschlüsselt Wie Pflanzen auf den Geschmack von Fleisch kamen

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Den meisten Pflanzen reicht Sonne, Wasser und etwas Erde. Doch manche Arten haben einen anderen Weg eingeschlagen – sie locken Insekten in ihre Falle und ernähren sich von ihnen. Ein internationales Forscherteam hat nun die Fleischfresser-Gene einiger Pflanzen entschlüsselt und Einblicke in die Entstehung dieser speziellen Lebensweise der Pflanzen erhalten.

Würzburg – Pflanzen haben einen faszinierenden Weg gefunden, sich zu ernähren: Sie produzieren energiereiche Biomasse mithilfe von Licht, Wasser und Kohlendioxid und stehen darum am Beginn der Nahrungsketten. Fleischfressende Pflanzen aber haben den Spieß umgedreht und machen Jagd auf Tiere: Ihre Hauptenergiequelle sind nicht Sonnenstrahlen, sondern Insekten.

Drei grüne Fleischfresser untersucht

Wie sich diese für Pflanzen ungewöhnliche Überlebensstrategie im Genom ausdrückt, haben der Pflanzenwissenschaftler Rainer Hedrich und der Evolutions-Bioinformatiker Jörg Schultz von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg untersucht. Gemeinsam mit ihrem Kollegen Mitsuyasu Hasebe von der japanischen Universität Okazaki haben sie das Erbgut von drei fleischfressenden Pflanzenarten entschlüsselt: die aus Nordamerika stammende Venusfliegenfalle Dionaea muscipula, die weltweit vorkommende Wasserfalle Aldrovanda vesiculosa und der in Asien weit verbreitete Sonnentau Drosera spatulata.

Die drei untersuchten Arten gehören zur Pflanzenfamilie der Sonnentaugewächse. Trotzdem haben sie jeweils andere Lebensräume erobert und eigene Fangmechanismen entwickelt. Bei Dionaea und Aldrovanda sind die Enden der Blätter zu Klappfallen umgestaltet. Der Sonnentau dagegen setzt seine Beute mit klebrigen Tentakeln auf der Blattoberfläche fest.

Die „Fleischeslust“ ist im Gencode der drei Pflanzenarten verankert

Obwohl Venusfliegenfalle, Sonnentau und Wasserfalle sehr unterschiedliche Lebensweisen und Fangmechanismen entwickelt haben, zeigte die Erbgutanalyse bei ihnen eine übereinstimmende „Basis-Ausstattung“ von Genen. Bestimmte Sequenzen scheinen also für die fleischfressende Lebensweise, die Karnivorie, essenziell zu sein. „Die Funktion dieser Gene steht im Zusammenhang mit der Fähigkeit, Beutetiere zu spüren, zu verdauen und ihre Nährstoffe zu verwerten“, erklärt Pflanzenforscher Hedrich.

„Den Ursprung der Karnivorie-Gene konnten wir auf ein Duplikationsereignis zurückverfolgen, das vor vielen Millionen Jahren im Erbgut des letzten gemeinsamen Vorfahren der drei karnivoren Spezies geschah“, sagt sein Kollege Schultz. Diese Verdopplung des kompletten Erbguts habe der Evolution ideales Spielmaterial geliefert, um neue Funktionen zu entwickeln.

Wie schwer muss die Beute sein?

Wie empfindlich? Venusfliegenfalle verwandelt Berührung in elektrischen Strom

Kleines Genom trotz spezieller Lebensweise

Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die Pflanzen für die Karnivorie nicht besonders viele Gene brauchen. Stattdessen gehören die drei untersuchten Arten sogar zu den genärmsten Pflanzen, die man kennt. Drosera besitzt 18.111, Dionaea 21.135 und Aldrovanda 25.123 Gene. Die meisten Pflanzen haben dagegen zwischen 30.000 und 40.000 Gene.

Wie lässt sich das mit der Tatsache vereinbaren, dass für die Entwicklung neuer Lebensweisen meist eine Fülle neuer Gene gebraucht wird? „Das kann nur bedeuten, dass die Spezialisierung auf tierische Nahrung zwar mit einem Zugewinn, gleichzeitig aber auch mit einem massiven Verlust von Genen einherging“, folgert der Entwicklungsbiologe Hasebe.

Die meisten Gene, die für den Betrieb der Insektenfallen nötig sind, finden sich in leicht veränderter Form auch in ganz normalen Pflanzen. „Bei fleischfressenden Pflanzen sind in den Fangorganen mehrere Gene aktiv, die bei anderen Pflanzen ihre Wirkung in der Wurzel entfalten. In den Fangorganen werden diese Gene erst angeschaltet, wenn die Beute sicher ist“, erklärt Pflanzenforscher Hedrich. Zu diesem Befund passt, dass die Wurzeln bei der Venusfliegenfalle und dem Sonnentau stark reduziert sind. Bei der Wasserfalle fehlen sie ganz.

Neues Projekt soll klären, wie Pflanzen zählen

Die Forscher haben jetzt Einblick in die Evolution der Karnivorie bei Pflanzen und halten gleich drei Baupläne für diese besondere Lebensweise in Händen. Als nächstes wollen sie die molekularen Grundlagen der Fangfunktion noch besser verstehen. „Wir haben festgestellt, dass die Venusfliegenfalle die vom Beutetier ausgelösten elektrischen Reize zählt, sich diese Zahl eine gewisse Zeit merken kann und schließlich eine Entscheidung trifft, die der Zahl entspricht“, sagt Hedrich. Nun gelte es zu verstehen, nach welchem biophysikalisch-biochemischen Prinzip fleischfressende Pflanzen „zählen“.

Originalpublikation: Palfalvi et al.: Genomes of the Venus Flytrap and close relatives unveil the roots of plant carnivory, Current Biology30, 1–9, June 22, 2020, DOI: 10.1016/j.cub.2020.04.051

* R. Emmerich, Julius-Maximilians- Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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