Ein Forschungsteam der japanischen Kobe-Universität und anderer Institutionen hat kürzlich die neuesten Ergebnisse veröffentlicht, die sich auf eine exotische Pflanzenart konzentrieren, die fast vollständig unter der Erde lebt – Balanophora – und zeigen, wie diese Pflanzen, die die Photosynthese schon lange aufgegeben haben und einige Arten sich fast nicht mehr sexuell vermehrt haben, immer noch erfolgreich in natürlichen Ökosystemen überleben und sich ausbreiten.
Die Studie wies darauf hin, dass die Schlangenpflanze nicht wie typische Pflanzen für die Photosynthese auf Chloroplasten angewiesen ist, um Energie zu gewinnen. Stattdessen fungiert sie als parasitäre Pflanze, indem sie ihre Haustorien tief in die Wurzeln anderer Pflanzen eindringt und die vom Wirt bereitgestellten Nährstoffe direkt aufnimmt. Es versteckt sich die meiste Zeit im dunklen und feuchten Unterboden und „erscheint“ nur kurz während der Blütezeit. Noch schlimmer ist, dass einige dieser Arten sich fast ausschließlich der asexuellen Fortpflanzung verschrieben haben und ihre Populationen ausschließlich aus Samen bestehen, die sich ohne Befruchtung bilden.
Kenji Suetsugu, ein Botaniker an der Universität Kobe, sagte, sein langfristiges Ziel sei es, „die wahre Bedeutung des Konzepts ‚Pflanze‘ neu zu überdenken“. Deshalb faszinieren ihn besonders jene Pflanzen, die die Photosynthese aufgegeben haben. Er hofft, durch die Untersuchung von Schlangen zu klären, welche tiefgreifenden Veränderungen im Genom, in der Zellstruktur und in den Fortpflanzungsmethoden von Pflanzen während dieses dramatischen Evolutionsprozesses stattgefunden haben.
Einer der Kernpunkte dieser Studie ist die erste systematische Integration der phylogenetischen Beziehung, der Entwicklung des Plastidengenoms und der Korrelation zwischen ihren Fortpflanzungsstrategien und den Lebensraumbedingungen der Schlangenschlange. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass sich zwar in der Vergangenheit sporadische Arbeiten auf die Genomreduktion, ökologische Anpassung oder Reproduktionsmethoden konzentrierten, diese drei Hinweise jedoch nicht umfassend im gleichen Rahmen untersucht wurden.
Die Forscher sammelten durch jahrelange Feldforschung in steilen und feuchten Bergwäldern eine große Anzahl an Proben und setzten auf eine langfristige Zusammenarbeit mit lokalen Naturbeobachtern. Gleichzeitig arbeiteten sie mit Forschungsteams zusammen, die sich auf stark reduzierte Genome an der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University und anderen Institutionen spezialisiert haben, um die Phylogenie- und Plastidengenomanalyse mehrerer Arten von Schlangenpilzen abzuschließen. Die Ergebnisse zeigen, dass alle getesteten Arten extrem „schlanke“ Plastidengenome haben und diese „Minimierung“ während der gemeinsamen Vorfahren dieser Gruppe erfolgte und sich anschließend in verschiedene existierende Arten differenzierte.
Oberflächlich betrachtet scheinen diese Plastiden kurz vor dem „Verschwinden“ zu stehen, doch weitere Analysen ergaben, dass immer noch eine große Anzahl von Proteinen synthetisiert und in die Plastiden transportiert wird, was darauf hindeutet, dass die Photosynthesefunktion zwar vollständig aufgegeben wurde, Plastiden jedoch immer noch eine Schlüsselrolle im Stoffwechselprozess spielen und immer noch eine der unverzichtbaren Kernstrukturen in Pflanzenzellen sind. Daher glaubt das Forschungsteam, dass die Schlangenschlange ein extremes Beispiel für die „Erhaltung der wesentlichen Stoffwechselfunktionen des Plastids unter der Prämisse einer maximalen Komprimierung des Genoms“ darstellt, was wichtige Hinweise für das Verständnis der Grenze zwischen der Beibehaltung und dem Verlust pflanzlicher Organellenfunktionen liefert.
Anders als der allgemeine Verlust der Photosynthese ergab die Studie, dass die Fähigkeit zur ungeschlechtlichen Fortpflanzung ein Merkmal ist, das sich bei der Schlangenschlange mehrfach unabhängig voneinander entwickelt hat. Das Team geht davon aus, dass die Fähigkeit, ungeschlechtlich in Abwesenheit von Bestäubern oder Paarungsindividuen direkt Samen zu bilden, möglicherweise eine Schlüsselrolle bei der frühen Ausbreitung dieses Taxons gespielt hat und es ihm ermöglicht hat, sich über eine Reihe von Insel- und Berggebieten von Honshu (Japan) über Okinawa bis Taiwan auszubreiten.
Kenji Suetsugu wies darauf hin, dass seine Forschungen zur Bestäubung und Samenverbreitung durch Schlangenköpfe im letzten Jahrzehnt ergeben haben, dass scheinbar „unauffällige“ Arthropoden wie Kamelgrillen und Kakerlaken eine unerwartet wichtige Rolle bei der Bestäubung und Verbreitung spielen. In Umgebungen, in denen Bestäuber selten sind oder die Individuen extrem verstreut sind, wird die asexuelle Fruchtbildung jedoch häufig zu einem „Backup“-Mechanismus, um den Fortpflanzungserfolg sicherzustellen, und hat sich bei einigen Arten allmählich zur wichtigsten oder sogar fast einzigen Fortpflanzungsmethode entwickelt.
Die Studie mit dem Titel „Phylogenetische Genomik klärt die Evolutionsgeschichte der Schlangenschlange, die metabolische Retention reduzierter Plastiden und den Ursprung der obligaten Apomixis“ wurde in der botanischen Fachzeitschrift „New Phytologist“ veröffentlicht. Das Papier bietet nicht nur eine neue Perspektive für das Verständnis, wie nicht-photosynthetische parasitäre Pflanzen Organellenfunktionen aufrechterhalten, sich an ökologische Nischen anpassen und Fortpflanzungsstrategien optimieren, es wird auch als wichtige Grundlage für die weitere Analyse des Interaktionsmechanismus zwischen parasitischen Pflanzen und ihren Wirten angesehen.
Kenji Suetsugu sagte, dass es für Menschen wie ihn, die diese unterirdischen Pflanzen in dunklen und feuchten Wäldern schon seit langem verfolgen, von besonderer Bedeutung sei, zu sehen, wie ihre „Geschichte“ nach und nach auf Genomebene zusammengesetzt werde. Der nächste Schritt der Forschung wird darin bestehen, diese genomischen Ergebnisse mit spezifischen biochemischen Stoffwechselmessungen zu kombinieren, um herauszufinden, welche Metaboliten die Schlangenplastiden produzieren und wie diese Produkte ihnen helfen, im Wurzelsystem des Wirts zu wachsen und einen parasitären Lebensstil aufrechtzuerhalten.
Zusammengestellt von /ScitechDaily