Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid auf verschiedene Weise energiereiche Zucker und Sauerstoff zu bilden (Photosynthese). Dabei ist Trockenheit ein großes Problem. Ein Forschungsteam unter Leitung von Wolfram Weckwerth an der Universität Wien zeigt nun, wie sich eine besonders wassersparende Variante dieses Prozesses (CAM) in einer einzelnen tropischen Baumgattung evolutionär divers entwickelt hat. Durch die Analyse des Erbguts dreier Arten der Gattung Clusia konnten die Forschenden nachvollziehen, wie Genomvervielfachung und nachfolgender genetischer Umbau zur Vielfalt unterschiedlicher CAM-Ausprägungen beitragen. Die Ergebnisse wurden aktuell in Nature Communications veröffentlicht.
Um 1800 machte Alexander von Humboldt eine ungewöhnliche Beobachtung. Er tauchte das Blatt eines tropischen Baumes ins Wasser und stellte fest, dass trotz Sonneneinstrahlung keine Sauerstoffblasen – wie bis dahin bekannt – entstanden. Diese Pflanze hält Blattöffnungen, die eigentlich der Aufnahme von CO2 und der Abgabe von Sauerstoff am Tage dienen, tagsüber geschlossen und vermeidet so Wasserverlust durch Verdunstung. CO2 wird dann nachts aufgenommen und chemisch gebunden und gespeichert in Form der Apfelsäure . Dieses Prinzip wird als “CAM-Photosynthese” (Crassulacean Acid Metabolism) bezeichnet. Wie sich diese Strategie bei der Gattung Clusia evolutionär differenziert hat und warum sie in unterschiedlichen Ausprägungen vorkommt, war bislang nur unzureichend verstanden.
Über die Studie
Im Rahmen der Studie wurde das Erbgut von drei Clusia-Arten analysiert, die unterschiedliche CAM-Ausprägungen repräsentieren: Clusia rosea, Clusia minor und Clusia major. Dabei kombinierte das Forschungsteam molekulare Daten mit physiologischen Messungen unter realitätsnahen Umweltbedingungen.
Vom Erbgut zur Photosynthese
Die Gattung Clusia umfasst die einzigen bekannten Bäume, die CAM betreiben und zeigt eine außergewöhnliche Bandbreite an Photosynthese – von klassischer C₃-Photosynthese, bei der Pflanzen tagsüber Kohlendioxid aufnehmen, bis zu stark ausgeprägtem CAM. Diese Vielfalt macht sie zu einem idealen Forschungsmodell für evolutionäre Übergänge zwischen verschiedenen Photosyntheseformen. Die Analysen zeigten, dass alle drei Clusia-Arten uralte Polyploide sind – ihre Genome wurden im Laufe der Evolution vervielfacht (Polyploidisierung) und anschließend über lange Zeiträume hinweg umgebaut (Diploidisierung). "Dabei gehen Genkopien verloren, werden deaktiviert oder übernehmen neue Funktionen", erklärt Erstautor Hannes Kramml von der Abteilung Molekulare Systembiologie, Department für funktionelle und evolutionäre Ökologie, an der Universität Wien. Johannes Herpell, weiterer Erstauthor der Studie, fügt hinzu: "Besonders betroffen sind Gene, die für die nächtliche CO₂-Speicherung im CAM-Stoffwechsel entscheidend sind." Studienleiter Wolfram Weckwerth erklärt: "Die Genome haben sich nicht einfach nur vervielfacht; sie wurden über Millionen von Jahren reorganisiert, reduziert und funktionell neu verdrahtet. Diese enorme Plastizität erklärt die physiologische Vielfalt des CAM in der Gattung Clusia."
