Warum die Verbindungen zwischen verschiedenen Pflanzen und Bodenmikroben „verschwanden“
Mutualismen sind beidseitig vorteilhafte ökologische Beziehungen zwischen verschiedenen Arten, wie beispielsweise honigsuchende Vögel und honigsammelnde Menschen. Zwischen Landpflanzen und Bodenmikroorganismen besteht eine uralte Symbiose, die möglicherweise bereits seit 450 Millionen existiert, und die den Pflanzen bei der Aufnahme von sonst unerreichbaren Nährstoffen aus dem Boden hilft. Manche Pflanzengruppen scheint diese uralte Verbindung jedoch abhanden gekommen zu sein. Die Gründe dafür sind noch Gegenstand von Diskussionen, es gibt jedoch mehrere Hypothesen. Die Entwicklung anderer Strategien für die Ressourcenbeschaffung wie Fleischfresserei und Parasitismus hängt beispielsweise eng mit dem Verlust der mutualistischen Beziehung zusammen – erklärt Matheus Bianconi(öffnet in neuem Fenster), Evolutionsbiologe am Institut für Biologie und Evolutionsstudien der Universität Toulouse(öffnet in neuem Fenster). „Das lässt sich durch die ernährungsphysiologische Rolle des Symbionten für die Pflanze erklären“, sagt er. „Sobald diese Rolle überflüssig wird, kann die Fähigkeit zur Erfüllung mutualistischer Beziehungen ohne Nachteile für die Pflanzen verloren gehen.“ Mit Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramm(öffnet in neuem Fenster) untersuchten Bianconi und sein Team im Rahmen des SYMBIOLOSS-Projekts den wiederholten Verlust von mutualistischen Beziehungen bei Landpflanzen. Das Team wollte genetische Muster aufdecken, die Aufschluss darüber geben können, ob die Aufgabe der mutualistischen Beziehung zu adaptiven Veränderungen geführt hat, die diesen Verlust ausgleichen.
Die mutualistische Geschichte zwischen Pflanzen und Mikroorganismen zurückverfolgen
Das Projekt wandte einen phylogenomischen Ansatz(öffnet in neuem Fenster) an, um Gene und Mutationen zu identifizieren, die für bestimmte Merkmale verantwortlich sind. Dabei wurden die Genome von Hunderten von Pflanzenarten analysiert, die eine mutualistische Beziehung aufweisen oder nicht aufweisen. Anschließend wurden statistische und phylogenetische Methoden angewandt, um genetische Veränderungen zu identifizieren, die mit dem artenübergreifenden Vorkommen dieses Merkmals korrelieren. Nach der Ermittlung der Kandidatengene glich das Forschungsteam diese Daten mit anderen Datensätzen ab, und wählte die vielversprechendsten Kandidaten für die Validierung im Labor aus. Diese Arbeit umfasste beispielsweise das Ausschalten oder die Überexpression von Genen. „Unser Team hat diesen Ansatz erfolgreich genutzt, um die genetische Grundlage der Symbiose bei Pflanzen zu entschlüsseln“, erklärt Bianconi. „Bei diesem Projekt haben wir denselben Ansatz verfolgt, allerdings in umgekehrter Weise: Wir haben untersucht, was nichtmutualistische Arten gemeinsam haben.“ Das Forschungsteam ging davon aus, dass dieser Ansatz gemeinsame Gene oder Netze aufdeckt, die mit adaptiven Veränderungen in Zusammenhang stehen, welche sich bei nichtmutualistischen Arten unabhängig voneinander entwickelt haben, und dass Gene identifiziert werden, die nach dem Verlust der mutualistischen Beziehung „umfunktioniert“ wurden und eine neue Rolle erfüllten.
Genetische Veränderungen ans Licht bringen
Die Ergebnisse legten nahe, dass die genetischen Veränderungen, die dem Übergang zu einer nichtmutualistischen Lebensweise zugrunde liegen, tatsächlich abstammungsspezifisch sind, und dass der aufgegebene symbiotische Apparat möglicherweise als Ausgangsmaterial für die Entwicklung neuer Anpassungen gedient hat. Das Team überprüfte diese Hypothese anschließend gründlich anhand von Lebermoosen. „Wir konnten einen Membranrezeptor identifizieren, der für die Symbiose wichtig zu sein scheint und der bei nichtsymbiotischen Lebermoosen wiederholt dupliziert wurde“, fügt Bianconi hinzu. „Ebenso haben wir ein Gen identifiziert, das eine potenzielle Rolle beim Nährstoffstoffwechsel spielt und das bei nichtmutualistischen Landpflanzenarten – mit Ausnahme von Moospflanzen und manchen Lebermoosen – verloren gegangen ist.“ Beide Fälle werden derzeit anhand von Laborversuchen validiert. „Sollte sich diese Hypothese bestätigen, wären dies Beispiele für Gene, die mit der Symbiose in Verbindung standen und die nach dem Verlust der mutualistischen Beziehung umfunktioniert wurden“, bemerkt Bianconi.
Vertiefende Forschung zum Verlust von mutualistischen Beziehungen
Dieses Projekt hat eine Reihe von Fragen aufgeworfen, und die Forscherinnen und Forscher gehen davon aus, dass sie sich in Zukunft erneut damit befassen werden, insbesondere wenn weitere genomische Ressourcen für nichtmutualistische Arten zur Verfügung stehen. „Derzeit sind mehrere Pflanzengruppen gut bepropt, doch viele davon umfassen nur eine oder wenige Arten, was die Aussagekraft phylogenomischer Analysen einschränkt“, sagt Bianconi. „Wir gehen davon aus, dass diese Daten mit anderen Arten von Omik-Daten, die unter kontrollierten Bedingungen erhoben wurden, kombiniert werden können, um neue Erkenntnisse zu gewinnen.“
