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Evolution der Blütenpflanzen: Erbgut-Verdopplungen brachten den Erfolg

Blüten sind eine der faszinierendsten Entwicklungen der Pflanzenevolution. Genforscher haben nun herausgefunden, wie und wann die Erfolgsgeschichte der bunten Pracht begann. Vor mehreren hundert Millionen Jahren sorgten einschneidende Veränderungen im Erbgut für die Entstehung der Blüten.

Tulpengarten in Indien: Pflanzen überstehen Erbgut-Verdopplung eher Zur Großansicht
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Tulpengarten in Indien: Pflanzen überstehen Erbgut-Verdopplung eher

Blütenpflanzen bergen eine faszinierende Vielfalt, sie sind die häufigste Pflanzenform am Land. Vom Kastanienbaum bis zur Erdbeere, vom Veilchen bis zum Mais: Zur Familie der Bedecktsamer, die im Wesentlichen von den Blütenpflanzen gefüllt wird, zählen mehr als 300.000 Arten. Wissenschaftler haben nun mithilfe von Genanalysen berechnet, wann sich die entscheidenden Schritte bei der Entwicklung der Blütenpflanzen vollzogen. Im Fachmagazin "Nature" berichten sie von zwei Einschnitten, die sich vor rund 320 Millionen Jahren sowie vor 192 bis 210 Millionen Jahren ereigneten. Zu diesen Zeitpunkten verdoppelte sich das Erbgut der Blütenpflanzen-Vorfahren auf einen Schlag, schließen Yuannian Jiao von der Pennsylvania State University und seine Kollegen aus ihren Daten. Die Vorteile, die die Pflanzen damals daraus zogen, halfen dann bei der weltweiten Verbreitung der Blütenpflanzen. Bisher hatten Botaniker angenommen, dass die früheste Genom-Verdopplung bei den Blütenpflanzen vor weniger als 150 Millionen Jahren stattfand.

Solche Erbgut-Verdopplungen sind ein bekanntes Phänomen, das vor allem bei Pflanzen zu beobachten ist. Viele Lebewesen, darunter auch der Mensch, besitzen einen doppelten Chromosomensatz, sie sind diploid. Jedes Chromosom, das einen Teil des Erbguts enthält, findet sich zweimal im Zellkern - mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen. Manche Arten besitzen jedoch mehr Kopien - vier, sechs, acht, zehn, sogar zwölffache Chromosomensätze wurden schon gezählt. Die Vervielfältigung entsteht durch Fehler in der Fortpflanzung. Wirbeltiere mit einem derartigen Erbgutsatz seien meist nicht lebensfähig, sagt Jiao, Pflanzen hätten da weniger Probleme. "Sie können sogar von dem verdoppelten Genom profitieren."

Spuren der Verdopplung verwischen sich

Viele der verdoppelten Gene verschwinden zwar mit der Zeit. Andere aber können sich verändern und neue Funktionen erfüllen - im Fall der Pflanzen also Prozesse rund ums Blühen steuern. Oder sie übernehmen einen Anteil bereits bestehender Aufgaben, wodurch die Effizienz gesteigert wird.

Über die Generationen verwischt sich die Spur der Genom-Verdopplung im Erbgut: Chromosomen verändern sich stark oder gehen wieder verloren, bis der Organismus irgendwann wieder diploid ist. Das ist auch bei vielen Blütenpflanzen der Fall. Die Forscher konnten also nicht einfach Chromosomensätze zählen, um den Verdopplungen auf die Spur zu kommen.

Sie untersuchen das Genom von sieben Blütenpflanzen, deren Erbgut bereits komplett entschlüsselt wurde: neben Reis, Mohrenhirse, Papaya, Gurke und Weinrebe zählten dazu auch die Westliche Balsampappel, deren Genom besonders klein ist, und die Ackerschmalwand, ein Modellorganismus der Biologie. Zum Vergleich zogen sie die Genome eines Mooses und eines Moosfarns heran - also zweier Pflanzen, die nicht zu den Blütenpflanzen zählen.

Sie verglichen Gen-Gruppen in den verschiedenen Pflanzen, die jeweils von einem Gen abstammten, aber vervielfacht wurden. Auf diese Weise konnten sie eingrenzen, wann die Verdopplungen passiert sein mussten: Vor rund 320 Millionen Jahren ereignete sie sich bei den Vorfahren der heutigen Samenpflanzen, zu denen auch die Blütenpflanzen zählen. Vor 192 bis 210 Millionen Jahren kam es zu einer Erbgut-Verdopplung bei den Vorfahren der heutigen Blütenpflanzen.

wbr

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