Evolutionäre Bedeutung der Spaltöffnungen
Ein internationales Forschungsteam hat die genetischen Mechanismen identifiziert, die der evolutionären Entwicklung von Stomata zugrunde liegen. Diese Spaltöffnungen sind für Pflanzen essenziell, da sie den Austausch von Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff mit der Atmosphäre ermöglichen.
Die Forschenden verglichen die Stomata-Entwicklung bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer Blütenpflanze, mit dem Kleinen Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens). Dabei stellten sie Parallelen fest, die auf einen gemeinsamen Vorfahren beider Pflanzengruppen hindeuten. Die Studie wurde von Prof. Dr. Ralf Reski von der Universität Freiburg und Prof. David J. Beerling von der Universität Sheffield/England geleitet und in der Fachzeitschrift Nature Plants veröffentlicht.
Stomata entstanden vor über 400 Millionen Jahren, als Pflanzen begannen, die Landmassen zu besiedeln. Ihre Fähigkeit zum effizienten Gasaustausch war eine Voraussetzung für die Ausbreitung von Pflanzen und die Entwicklung komplexer Ökosysteme an Land. Während die Gene für die Stomata-Entwicklung bei Gefäßpflanzen wie der Ackerschmalwand bekannt sind, war dies bei Moosen, die in der Regel kein Leitgewebe besitzen, bisher unklar.
Entschlüsselung der genetischen Steuerung
Die Studie zeigte, dass im Kleinen Blasenmützenmoos das Zusammenspiel der Proteine PpSMF1 und PpSCRM1 das Signal für die Ausbildung von Spaltöffnungen gibt. Dies wurde durch die Deaktivierung der entsprechenden Gene nachgewiesen, was zur Entwicklung von Moosen ohne Stomata führte. Die Forschenden stellten fest, dass dieser Prozess dem Zusammenwirken der Proteine MUTE und FAMA in der Ackerschmalwand entspricht, die dort die Stomata-Bildung auslösen.
Die Gene, die diese Proteine kodieren, lassen sich auf gemeinsame Vorfahren von Moosen und Blütenpflanzen zurückführen. Diese Ur-Landpflanzen bildeten die Grundlage für die weitere Entwicklung des Lebens an Land.
Mit diesen Ergebnissen konnten wir belegen, dass die Entwicklung von Stomata vor über 400 Millionen Jahren erfolgte und der Entwicklung von Wurzeln, Sprossen und Blättern vorausging. Diese evolutionäre Innovation hat die weltweiten Kreisläufe von Kohlenstoff, Wasser und Energie fundamental verändert und so das Leben auf dem Festland erst ermöglicht, auch das von uns Menschen.
An der Studie waren auch Arbeitsgruppen der LMU München, der Universität Leeds/England, der Universität von Michigan/USA und der Stanford Universität/USA beteiligt.