Die Bedeutung der Kutikula für die Pflanzenentwicklung
Die Kutikula entwickelte sich vor über 450 Millionen Jahren, als Pflanzen begannen, das Festland zu besiedeln. Ihre wasserabweisende Eigenschaft schützte die Pflanzen vor Austrocknung und ermöglichte so ihre Ausbreitung und die Entstehung komplexer Ökosysteme an Land.
Spätere Samenpflanzen nutzen ähnliche chemische Reaktionen zur Bildung von Biopolymeren wie Lignin, Cutin und Suberin. Lignin ist beispielsweise für die Verholzung von Zellwänden verantwortlich und ermöglicht das Höhenwachstum von Bäumen. Moose hingegen besitzen kein Lignin und bleiben klein.
Enzym CYP98 und Phenolstoffwechsel
Bislang war unklar, welcher biochemische Reaktionsweg bei Moosen die Entwicklung ihrer schützenden Oberfläche steuert. Die Forscher entdeckten nun, dass das Enzym CYP98 aus der Familie der Cytochrome P450 eine zentrale Rolle spielt. Während dieses Enzym in Samenpflanzen die Ligninproduktion einleitet, ist es in Physcomitrella für die Bildung einer Kutikula zuständig, die hauptsächlich aus Phenolen besteht.
Wurde das Gen für die Synthese von CYP98 deaktiviert, bildete das Moos keine Kutikula aus. Dies führte dazu, dass es ungeschützt war und keine komplexen Organe entwickeln konnte; die sich bildenden Organe fusionierten und stellten ihr Wachstum ein. Die Forscher konnten diesen genetischen Defekt beheben, indem sie das Moos mit Kaffeesäure versorgten, die als Hauptbestandteil des Phenolstoffwechsels in Moosen identifiziert wurde.
Evolutionäre Implikationen
Die Ergebnisse legen nahe, dass die Entwicklung der Kutikula bei Moosen der Evolution von Lignin, Cutin und Suberin in Samenpflanzen zeitlich vorausging. Die Kutikula entstand demnach erstmals im gemeinsamen Vorfahren von Moosen und Samenpflanzen – den Ur-Landpflanzen, die das Wasser verließen und so die Grundlage für heutige terrestrische Ökosysteme schufen.
Unsere Ergebnisse enthüllen eine der frühesten evolutionären Innovationen, die den ersten Pflanzen vor über 450 Millionen Jahren halfen, auf dem Festland zu überleben. Zudem ermöglichen sie eine neue biotechnologische Strategie, Biopolymere in Pflanzen herzustellen – abseits der wissenschaftlich gut untersuchten Produktion von Lignin bei Bäumen.
Das deutsch-französische Kooperationsprojekt „METABEVO” wurde vom Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) und dem University of Strasbourg Institute for Advanced Study (USIAS) gefördert. An der Studie waren neben der Universität Freiburg und dem CNRS auch Forscher der Universität Strasbourg/Frankreich, der University of Victoria/Kanada und der Cornell University/USA beteiligt.