Das Leben auf unserem Planeten hat seinen Ursprung in den Meeren. Nicht nur Tiere, sondern auch Pflanzen waren zunächst im Wasser zu Hause, bevor sie das Land eroberten. Doch wie war dieser Schritt überhaupt möglich? Ein internationales Forscherkonsortium mit Beteiligung von Marburger und Würzburger Pflanzenforschern fand nun heraus, dass die im Süßwasser lebende Armleuchteralge Chara braunii bereits mehrere genetische Voraussetzungen besitzt, um auch an Land zu überleben.

Chara besitzt Merkmale der Landpflanzen

An Land waren die Pflanzen plötzlich mit ganz anderen Umweltbedingungen konfrontiert: Nährstoffe und Wasser mussten aus dem Boden statt der unmittelbaren Umgebung aufgenommen werden. „Es gibt mehrere Algengruppen, die das Land besiedelt haben, aber nur eine davon hat sich zur Großgruppe der Landpflanzen weiterentwickelt“, sagt Seniorautor Stefan Rensing von der Philipps-Universität Marburg. Um herauszufinden, warum manche Algengruppen dies geschafft haben, analysierten die Pflanzenforscher das Genom der Armleuchteralge. „In den Genen der Alge Chara sind schon zahlreiche evolutionäre Innovationen angelegt, die bislang ausschließlich den Landpflanzen zugeschrieben wurden“, erklärt Rainer Hedrich, Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Genom der Süßwasseralge kodiert Trockenheitshormon

Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Cell“ berichten, besitzt Chara beispielsweise bereits die genetischen Grundlagen für das Stresshormon Abscisinsäure. Bei Landpflanzen wird das sogenannte Phytohormon bei Trockenheit aktiviert, damit diese Wasser sparen. Bei Wasserpflanzen wäre diese Regulation eigentlich überflüssig. Zwar sind die ersten Syntheseschritte für das Hormon bei der Süßwasseralge bereits vorhanden, die passenden Hormonrezeptoren fehlen jedoch noch.

Armleuchteralge bereits mit doppelter Zellwand

Die Armleuchteralge weist noch ein weiteres auffälliges Merkmal auf, das für im Wasser lebende Pflanzen eigentlich nicht notwendig wäre und zum Schutz vor Austrocknung dient: „Ähnlich wie Landpflanzen führen die Armleuchteralgen eine Zellteilung durch, bei der spezielle Proteine eine Zellplatte zusammensetzen. Diese entwickelt sich anschließend zur neuen Querwand“, so die Forschenden. Der Marburger Pflanzenforscher Rensing fasst zusammen: „Unsere Daten zeigen: Eine Reihe von Genen, die in der wissenschaftlichen Literatur bisher als Landpflanzen-typisch galten, finden sich schon bei den Armleuchteralgen.“

Einzigartige Signalweiterleitung

Doch die Süßwasseralge weist auch Besonderheiten auf, die vermutlich unabhängig von den ähnlichen Eigenschaften bei Landpflanzen entstanden: Chara ähnelt in ihrem Aussehen bereits einer Landpflanze und besitzt sogar wurzelähnliche Strukturen. Mit diesen kann sie sich zwar am Boden verankern, sie dienen jedoch nicht zur Nährstoffaufnahme. Außerdem besitzt die Süßwasseralge einen sprossähnlichen Wuchs mit knotigen Verdickungen, an denen sogar blattartige Gebilde sitzen. Die Abstände zwischen den Knoten können bis zu 20 Zentimeter lang sein. Das Besondere: Die Zellen in diesem Bereich geben elektrische Signale ab und leiten sie in der Alge weiter. Sie wird deshalb seit über 60 Jahren als Modellorganismus verwendet, um die elektrische Erregbarkeit von Pflanzenzellen zu erforschen. Überraschend war, dass die genetischen Grundlagen für die Kanäle, die bei Landpflanzen typischerweise die Reizweiterleitung ermöglichen, im Genom von Chara nicht vorhanden waren. Die Alge scheint also eine ganz eigene Lösung für die Signalweiterleitung gefunden zu haben. Der Würzburger Pflanzenphysiologe Hedrich will deshalb in Zukunft untersuchen, wie genau die elektrischen Signale der Armleuchteralge entstehen und weitergeleitet werden.

jmr