Grüne Urgesteine

Ob in Zeitschriften, im Fernsehen oder in Radiosendungen: Geschichten über das Leben der Dinosaurier oder Informationen über die Vorfahren des Homo sapiens stoßen auf großes Interesse des Publikums. Zu kurz kommt dagegen die Entwicklung der Landpflanzen. Dabei erhöhten sie vor gut 450 Millionen Jahren mit ihrer schnellen Ausbreitung auf dem Urkontinent Pangäa den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, reduzierten das Kohlendioxid und schufen somit die Lebensgrundlage für Menschen und Tiere.

Das fehlende Interesse an der Entwicklung der Landpflanzen mag daran liegen, dass diese Urpflanzen unscheinbaren Moosen ähnelten. Diese haben sich seit mindestens 360 Millionen Jahren von der Gestalt her kaum verändert. „Sie haben die Dinos kommen und gehen und den Menschen kommen sehen. Wenn wir nicht aufpassen, sehen sie uns auch gehen“, sagt Ralf Reski, Professor für Pflanzenbiotechnologie an der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg. Mit der Forschung am Kleinen Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens) hat er zusammen mit seinem Team sowie internationalen Kolleginnen und Kollegen wichtige Einblicke in die Evolution der Landpflanzen gewonnen.

Das Kleine Blasenmützenmoos hat einen entscheidenden Vorteil: Die Sporenkapsel kann eigene Sporen ausbilden, aus denen neue Moose wachsen.
Foto: Nelly Horst/Pflanzenbiotechnologie Freiburg

Stoffwechsel im Moos

Die erste Überraschung war die Aufdeckung eines Stoffwechsels, der zu einer Urform des Biopolymers Lignins führt. Das Schlüsselenzym dieses Stoffwechsels ist schon länger bekannt, da es Blütenpflanzen hilft, feste Gewebe wie Holz zu entwickeln, die sie in die Höhe wachsen lassen. „Wir haben uns gefragt, was für eine Funktion dieses Enzym in Moosen hat, da diese kein Lignin bilden“, erklärt Reski. Weitere Versuche zeigten, dass dieser erstmals im Moos gefundene Stoffwechsel eine wachsartige Schutzschicht hervorbringt, die so genannte Kutikula. Sie schützt die Moospflanzen vor Austrocknung und erlaubt die Entwicklung von Blättchen und Stämmchen.

Genetischer Schalter für den Embryo

Auf diesen Stämmchen befinden sich die Sexualorgane. Für die Befruchtung brauchten Urpflanzen wie die heutigen Moose noch Wasser, damit die beweglichen Samenzellen den Weg zu den weiblichen Geschlechtszellen finden. Die Untersuchung an Physcomitrella verriet den Forscherinnen und Forschern, welche Gene dafür verantwortlich sind, dass sich aus einer befruchteten Eizelle eine neue Pflanze entwickelt. Damit wurde der für alle Pflanzen charakteristische Generationswechsel molekular aufgeklärt, in dem sich Phasen mit einfachem Chromosomensatz und solche mit doppelter Chromosomenausstattung abwechseln. Innerhalb dieses Wechsels finden die Befruchtung und die Embryogenese statt.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entdeckten im Moos zum ersten Mal überhaupt einen entscheidenden genetischen Schalter, der zur Entwicklung eines Embryos führt. Sie bemerkten, dass dieser Schalter in der Natur ab und zu überaktiviert wird. Die Folge ist, dass der Vorgang der Befruchtung umgangen wird, die Vermehrung ungeschlechtlich erfolgt und genetisch gleiche Nachkommen entstehen. „Das kommt in der Natur immer mal wieder vor“, sagt Reski. „Ob ein ähnlicher zentraler Schaltmechanismus auch die Embryogenese von Tieren und Menschen regelt, muss noch nachgewiesen werden.“

Poren und Sporen

Noch eine Neuerung zeichnet das Moos aus. Die allermeisten Landpflanzen haben Spaltöffnungen in ihren Blättern. Sie dienen dem Gasaustauch von Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf und erhöhen mit ihren Öffnungs- und Schließmechanismen die Wirksamkeit der Photosynthese. Reski und sein Team haben gezeigt, dass auch Physcomitrella Spaltöffnungen aufweist. Diese Poren sind einfach und liegen an der Basis der Sporenkapsel.

Vor etwa 450 Millionen Jahren verbreiteten sich Moose auf der Erde und schufen unter anderem durch die Erhöhung des Sauerstoffgehalts die Lebensgrundlage für den Menschen. Foto: Daniel Lang/Pflanzenbiotechnologie Freiburg

Zu Beginn der Untersuchung war nicht bekannt, welchen Vorteil das Moos daraus zieht. „Die Gene dafür sind von der Urpflanze vor etwa 500 Millionen Jahren bis zu den Moosen mitgenommen und weiterentwickelt worden“, erklärt Reski. „Wir waren sicher, dass sie eine Funktion haben müssen.“

Fitnessvorteil und schnelle Verbreitung

Bei Moosen mit Spaltöffnungen verfärben sich die Sporenkapseln braun, sobald die Sporen reif werden. Die Photosynthese wird eingestellt. Die Poren bleiben danach offen und dienen lediglich der Entlüftung. Daher trocknen die Sporen schneller und können früher entlassen werden. Bei gentechnisch herbeigeführten spaltenlosen Kapseln reiften die Sporen später, obwohl die Moose weiter wuchsen. „Physcomitrella zieht aus den Spaltöffnungen einen Fitnessvorteil mit schnellerer Verbreitung der Sporen“, so Reski.

Mit ihrer Arbeit ist es den Forschern gelungen, drei grundlegende Entwicklungsschritte in der Evolution der Landpflanzen aufzuklären.

Eva Opitz

Ralf Reskis Forschung an der Universität Freiburg
www.plant-biotech.net