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Enthüllung der genetischen Geheimnisse, um die Entwicklung des Lebens zu verstehen

Komplex erscheinende genetische Merkmale können sich tatsächlich leicht entwickeln und der genetische Austausch zwischen Arten kann den Evolutionsprozess beschleunigen. Diese bahnbrechenden Erkenntnisse könnten unser Verständnis des Lebens auf dem Planeten revolutionieren.

Grundlagenforschung

Natürliche Selektion ist ein Prozess, der im Laufe der Zeit zu veränderten Eigenschaften einer Art führt. Einige Individuen sind aufgrund ihrer Gene besser an ihre Umgebung angepasst. Diese Individuen werden überleben und sich besser fortpflanzen. Ihre Gene werden daher in mehr Individuen der nächsten Generation vorhanden sein. „Ein hervorragendes Beispiel für eine schnelle natürliche Selektion ist das Auftreten von Antibiotika resistenten Bakterien“, stellt Pascal-Antoine Christin, Projektkoordinator von ComplEvol und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der britischen University of Sheffield fest. „Wenn Antibiotika angewandt werden, sind resistente Gene tragende Bakterien die einzigen, welche neue Individuen hervorbringen. Dieser Widerstand wird dann sehr schnell an Häufigkeit zunehmen. “ Während Forschende ein ausgezeichnetes Verständnis der natürlichen Selektion haben, wird der Prozess, durch den Merkmale mit beeindruckender Komplexität entstehen, weniger gut verstanden. Einige Merkmale bieten beispielsweise nur dann einen Vorteil, wenn mehrere Elemente zusammenkommen.

Erklärung der Pflanzenevolution

Im Projekt ComplEvol konzentrierte sich Christin darauf, ein besseres Verständnis der Entwicklung eines komplexen Pflanzenprozesses namens C4-Photosynthese zu erlangen. „Pflanzen haben die C4-Photosynthese zur Anpassung an die Atmosphäre mit niedrigem CO2-Ausstoß weiterentwickelt, die in den letzten 30 Millionen Jahren vorherrschte“, erklärt er. „Das C4-Merkmal bietet jedoch nur dann einen Vorteil, wenn mehrere Enzyme zusammenwirken. Wie ist es dazu gekommen?“ Christin und sein Team untersuchten die Ursprünge der C4-Photosynthese in der Grasart Alloteropsis semialata. „Wir haben uns teilweise auf diese Grasart konzentriert, weil sie vor relativ kurzer Zeit die C4-Photosynthese entwickelt hat“, fügt Christin hinzu. „Die Art enthält immer noch Individuen, bei denen das Merkmal fehlt. Wir konnten Proben sowohl aus der C4- als auch aus der Nicht-C4-Gruppe entnehmen und Vergleichsanalysen durchführen.“ Christin konnte zeigen, dass die C4-Photosynthese mit nur wenigen Modifikationen entstehen kann. „C4-Individuen enthalten nur wenige Gene und zelluläre Veränderungen, die Nicht-C4-Pflanzen fehlen“, erklärt er. „Für die Entstehung der C4-Photosynthese sind nur wenige Änderungen erforderlich. Natürliche Selektion verbessert dann das Merkmal und macht es zunehmend komplexer und effizienter.“ Das vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt hob auch die Bedeutung des genetischen Austauschs für die Entwicklung komplexer Merkmale hervor. Christin fand heraus, dass einige für die C4-Photosynthese notwendigen Gene anderen Pflanzenarten „gestohlen“ wurden, was den Evolutionsprozess beschleunigte.

Evolutionsprozesse verstehen

Die Ergebnisse des Projekts könnten von enormer Bedeutung sein. Kulturpflanzen und Gräser, welche C4-Photosynthese betreiben, dominieren tropische und subtropische Regionen und umfassen Mais, Zuckerrohr, Sorghum und Hirse. „Das zeigt, dass Merkmale von beeindruckender Komplexität tatsächlich leicht zu entwickeln sind“, schlussfolgert er. „Ein Großteil ihrer Komplexität resultiert aus Veränderungen, die sich unter der wiederholten Wirkung natürlicher Selektion angesammelt haben.“ Diese faszinierende Entdeckung wird nun weitergeführt. „Zum Verständnis der ökologischen Auswirkungen jedes C4-Elements planen wir, C4- und Nicht-C4-Individuen von Alloteropsis semialata zu kreuzen“, erklärt er. „Ihre Nachkommen werden nur einige Teile ihrer C4-Eltern haben. So können wir beurteilen, wie sich diese individuellen Merkmale auf das Überleben der Pflanzen auswirken, wenn keine anderen C4-Teile vorhanden sind.“ Christin ist auch daran interessiert, inwieweit genetisches Material zwischen Arten ausgetauscht wird. „Kommt das bei allen Arten vor oder nur bei einigen? Das sind sehr wichtige Fragen für unser Verständnis der Evolution, aber sie haben auch Auswirkungen auf den Bereich der Agrarwissenschaft“, fügt er hinzu.

Schlüsselbegriffe

ComplEvol, genetisch, entwickeln, Gene, Antibiotika, Kulturpflanzen, Photosynthese, evolutionär

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