Gentransfer unterstützt die Stimulierung der pflanzlichen Evolution

Forscher in Frankreich, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten haben die Frage untersucht, wie Pflanzen ihre Gene untereinander austauschen, um ihre eigene evolutionäre Entwicklung anzuregen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Current Biology vorgeste...

Forscher in Frankreich, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten haben die Frage untersucht, wie Pflanzen ihre Gene untereinander austauschen, um ihre eigene evolutionäre Entwicklung anzuregen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Current Biology vorgestellt. In diesen wird hervorgehoben, dass Enzyme, die Schlüssel zur Photosynthese sind, unter Pflanzen ausgetauscht wurden, die nur entfernt miteinander verwandt sind, und dass der Stoffwechselzyklus des Empfängers die Gene aufgenommen und damit zur Anpassung beigetragen hat. Zum Teil wurde die Studie über ein Marie-Curie-Stipendium des Siebten Rahmenprogramms (RP7) der EU gefördert.

Die meisten Wissenschaftler glauben, dass die Weitergabe von Genen von Eltern auf die Nachkommen, ob Tier oder Pflanze, zu ihrer Evolution beiträgt. Genetische Veränderungen sind dafür bekannt, aus diesem Prozess hervorzugehen. Aber in dieser neuesten Studie haben die Forscher der Brown Universität in den Vereinigten Staaten, des Laboratoire Evolution & Diversité Biologique in Frankreich und der Universitäten Liverpool und Sheffield im Vereinigten Königreich ermittelt, wie die Gene von Pflanze zu Pflanze zwischen Arten reisen, die nur entfernt miteinander verwandt sind.

Die Forscher beobachteten, dass eine Gruppe von Gräsern, ihre Gene Millionen von Jahren lang immer wieder weitergeleitet haben. Die übertragenen Gene spielten eine entscheidende Rolle in der Photosynthese-Maschinerie der Pflanzen. Dies gilt vor allem für C4-Pflanzen, die in warmen und tropischen Klimazonen vorkommen. Diese Pflanzen stellen auch 20% der Vegetationsdecke unseres Planeten dar.

"Unseres Wissens nach ist dies der erste Fall, in dem nukleare Gene, die zwischen Pflanzen übertragen wurden, in den primären Stoffwechsel integriert wurden und zur Entwicklung eines neuen Merkmals beigetragen haben. In diesem Fall die C4-Photosynthese", erklärte Dr. Pascal-Antoine Christin von der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie an der Brown Universität.

Die Forscher untersuchten die Herkunft der beiden Gene, die für Enzyme codieren, die integraler Bestandteil der C4-Photosynthese sind: Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PPC) und Phosphoenolpyruvatcarboxykinase (PCK). Darüber hinaus bewerteten sie die historische Präsenz und Funktion der Enzyme in Alloteropsis, einer verbreiteten und allgemein studierten Grasart.

Das Team bewertete die ersten Gene in nah verwandten Arten, drei C4-Pflanzen (Alloteropsis angusta, Alloteropsis cimicina und Alloteropsis semialata) und eine C3-Pflanze (Alloteropsis eckloniana). Sie wollten einen Einblick in die Evolutionsgeschichte der PPC- und PCK-Gene erhalten, die bei ihrem gemeinsamen C3-Vorfahren gefunden wurden, und vermutlich angepasst wurden, um die Photosynthese bei den C4-Pflanzen-Nachkommen stimulieren zu können.

"Man hat sich gefragt, wie sich diese Gene entwickelt haben", so Dr. Christin. "Allgemein wurde angenommen, dass ein Vorfahre diese Gene zwar besaß, aber dass sie nicht an der Photosynthese beteiligt waren, und so wurden sie später modifiziert, um zu C4-Photosynthese-Agenten zu werden."

Die Forscher bewerteten C4-Pflanzen, deren PPC-Enzym für die Photosynthese benötigt wurde, sowie Pflanzen, deren Enzym bereits vorhanden war, aber keinen Einfluss auf die Photosynthese hatte. Die Forscher nahmen an, dass die PPC-Enzyme in der C4-Photosynthese eng mit den Genen, die nichts mit der Photosynthese zu tun haben, von eng verwandten C3-Pflanzen aufgrund ihrer gemeinsamen Vorfahren verwandt waren. Doch sie fanden heraus, dass die an der C4-Photosynthese beteiligten PPC-Gene eng mit PPC-Genen anderer C4-Spezies ohne enge Beziehung in der Phylogenie oder im Stammbaum zusammenhingen. Das Team entdeckte auch, dass diese Pflanzen mit den gemeinsamen PPC-Enzymen der Photosynthese, sich vor 20 Millionen Jahren getrennt hatten. Trotz der Divergenzen bei den Vorfahren stellten die Wissenschaftler einen Austausch von Genen fest.

"Wir haben schon lange verstanden, wie evolutionäre Anpassungen von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden", so Dr. Colin Osborne von der Universität Sheffield, einer der Autoren des Papiers. "Jetzt haben wir bei den Pflanzen entdeckt, dass sie zwischen weit entfernten Vettern ohne direkten Kontakt zwischen den Arten weiteregegeben werden können."

Prof. Erika Edwards von der Brown Universität fügt hinzu: "Hier ist besonders interessant, dass diese Gene sich auf eine Art und Weise von Pflanze zu Pflanze bewegen, die wir noch nicht gesehen haben. Es gibt keine Wirt-Parasit-Beziehung zwischen diesen Pflanzen, die sich in der Regel bei dieser Art von Gen-Transfer manifestiert."Weitere Informationen finden Sie unter: University of Sheffield: http://www.shef.ac.uk/ Current Biology: http://www.cell.com/current-biology/

Länder

Frankreich, Vereinigtes Königreich, Vereinigte Staaten