Neue Forschung der Universität Wien zeigt, dass tropische Bäume nachts atmen, dank alter Genomduplikationen. Diese Duplikationen gaben den Bäumen eine effektive Möglichkeit, Wasser durch eine Photosynthesestrategie zu sparen, die seit Millionen von Jahren Bestand hat. Die Studie zeigt, wie genetische Neustrukturierungen im Laufe der Zeit diese Pflanzen mit einem wasser sparenden Mechanismus ausstatteten, der potenziell auf die Entwicklung dürretoleranter Nutzpflanzen angewendet werden könnte.
Die Nacht-Atem-Strategie
Wissenschaftler untersuchten drei Clusia-Arten, um zu verfolgen, wie diese Art der Wasser sparenden Photosynthese innerhalb einer einzigen Pflanzenart entstanden ist. Der Ansatz beinhaltet die Aufnahme von Kohlendioxid in der Nacht und die Speicherung als Äpfelsäure, wobei die Poren der Pflanze während des heißen Tages geschlossen bleiben, um zu verhindern, dass Wasser entweicht. Es wird als CAM-Photosynthese oder Crassulacean Acid Metabolism bezeichnet.
Der Clusia-Vergleich
Die Forscher untersuchten das genetische Material von drei Clusia-Arten, die jeweils eine unterschiedliche Art von CAM-Verhalten zeigten: Clusia rosea, Clusia minor und Clusia major. Ihre Arbeit verband molekulare Informationen mit Beobachtungen, wie die Pflanzen in Umgebungen agierten, die ihre natürliche Umgebung widerspiegelten.
Unter den Bäumen der Gattung Clusia findet sich die Verwendung von CAM nirgendwo anders. Diese Gattung weist eine breite Palette von photosynthetischen Methoden auf, die von gewöhnlicher C3-Photosynthese bis hin zu sehr starker CAM reichen.
Altertümliche Genomduplikation
Die genomische Untersuchung zeigte, dass die Genome aller drei Clusia-Arten eine tiefe Geschichte der Vermehrung tragen. Diese Genome wurden durch alte Duplikationsereignisse vergrößert, woraufhin sie lange Zeiträume der Umorganisation und Transformation durchliefen.
Der Erstautor Hannes Kramml, vom Bereich Molekulare Systembiologie innerhalb der Abteilung für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie an der Universität Wien, erklärt: „In diesem Prozess gehen Genkopien verloren, werden deaktiviert oder übernehmen neue Funktionen.“
Der Zweitautor Johannes Herpell fügt hinzu: „Gene, die für die nächtliche CO2-Speicherung im CAM-Stoffwechsel entscheidend sind, sind besonders betroffen.“
Die Genome neu verdrahten
„Die Genome haben sich nicht einfach nur vervielfacht; über Millionen von Jahren wurden sie umorganisiert, reduziert und funktional neu verdrahtet“, erklärt der Studienleiter Wolfram Weckwerth. „Diese enorme Plastizität erklärt die physiologische Vielfalt von CAM innerhalb der Gattung Clusia.“
In nahezu natürlichen Gewächshausbedingungen beobachteten die Untersucher die Bäume über einen ganzen Tag, während sie die Wassermenge, die sie erhielten, veränderten. Ihre Beobachtungen stützten sich sowohl auf Messungen der Pflanzenphysiologie als auch auf Studien der Genaktivität, Proteine und Stoffwechselverbindungen.
Verschiedene Arten, verschiedene Ansätze
Die drei Arten zeigten bemerkenswert unterschiedliche Ansätze:
- Clusia rosea verwendet eine starke CAM und speichert beträchtliche Mengen an Kohlendioxid als Äpfelsäure während der Nacht.
- Clusia minor schaltet CAM hauptsächlich ein, wenn sie Stressbedingungen erlebt.
- Clusia major verwendet eine Hybridstrategie, die C3-Photosynthese und CAM kombiniert.
Die Muster der Genaktivität und des Stoffwechsels offenbarten dieselben physiologischen Unterschiede und gaben den Forschern eine Möglichkeit, das Verhalten der Pflanzen mit den genetischen Veränderungen zu verknüpfen, die sie fanden.
Ein einzelnes Ereignis, mehrere Ergebnisse
Die Ergebnisse deuten auf mehrere separate Ereignisse hin, die die Entwicklung von CAM innerhalb von Clusia vorantreiben, anstatt auf eine einzige evolutionäre Veränderung. Stattdessen scheinen wiederholte Umorganisationen des Genoms unterschiedliche Variationen des wassersparenden Ansatzes hervorgebracht zu haben, die einzelnen Arten halfen, sich an eine Vielzahl von Umweltbedingungen anzupassen.
Über tropische Bäume hinaus
Die Ergebnisse könnten eines Tages auch über tropische Bäume hinaus von Bedeutung sein. Pflanzen, die auf CAM angewiesen sind, benötigen deutlich weniger Wasser als solche, die sich ausschließlich auf konventionellere Formen der Photosynthese verlassen. Diese Eigenschaft macht sie potenziell nützlich als Modelle für die Züchtung von Pflanzen, die in der Lage sind, Dürreperioden zu überstehen.
Neue genomische Daten können genutzt werden, um Stoffwechselwege zu identifizieren, die mit einer effizienten CO2-Aufnahme und Wassereinsparung verbunden sind.
„Diese enorme Plastizität erklärt die physiologische Vielfalt von CAM in der Gattung Clusia.“
Quelle: „Diese tropischen Bäume atmen nachts, um Dürreperioden zu überstehen“, ScienceDaily.
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