Newsletter
ABO
Zeitschriften
Service

Die Schutzschicht der Ur-Landpflanzen

Ein internationales Forschungsteam hat einen biochemischen Reaktionsweg entdeckt, der bei Moosen für die Entwicklung der Kutikula verantwortlich ist. Diese wachsartige Oberfläche liegt auf den Zellen der Epidermis, bildet die äußere Schutzschicht der Pflanzen und schützt diese vor Wasserverlust.

Die Biologen haben den Mechanismus, der den evolutionären Übergang von Wasser- zu Landpflanzen ermöglicht hat, am Moos Physcomitrella patens nachgewiesen. Prof. Dr. Ralf Reski von der Universität Freiburg und Dr. Danièle Werck-Reichhart vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Institut für Pflanzenmolekularbiologie (IBMP) in Strasbourg/Frankreich leiteten das Forschungsteam, das seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichte.
Die Kutikula entwickelte sich bei Pflanzen vor mehr als 450 Mio. Jahren, 
als die ersten von ihnen das zuvor lebensfeindliche Festland besiedelten. Weil die wachsartige Kutikula vor Wasserverlust schützt, ermöglichte sie es, dass sich die Pflanzen auf dem Land ausbreiteten und sich komplexe Ökosysteme ausbildeten. Die später entwickelten Samenpflanzen nutzen ähnliche chemische Reaktionen, um die Biopolymere Lignin, Cutin und Suberin auszubilden. Insbesondere das Lignin führt zu einer Verholzung der Zellwände und ermöglicht es Bäumen, viele Meter in die Höhe zu wachsen. Dagegen haben Moose kein Lignin und sind winzig klein. Es war bislang unbekannt, welcher biochemische Reaktionsweg bei ihnen die Entwicklung der schützenden Oberfläche ermöglicht.
Die Forscherinnen und Forscher haben nun herausgefunden,
dass das Enzym CYP98 aus der Familie der Cytochrome P450 eine entscheidende Rolle spielt: Während es in Samenpflanzen die Produktion von Lignin einleitet, ist es in Physcomitrella zuständig für die Ausbildung einer Kutikula, die zu einem großen Teil aus Phenolen besteht. Schalteten die Forscher das für die Synthese des Enzyms maßgebliche Gen ab, entwickelte das Moos keine Kutikula. In der Folge war es weder gegen äußere Einflüsse geschützt noch konnte es komplexe Organe ausbilden: Die sich entwickelnden Organe fusionierten und beendeten ihre weitere Entwicklung. Die Forscher konnten den genetischen Defekt jedoch ausgleichen, indem sie das Moos mit Kaffeesäure versorgten – diese identifizierten sie als wichtigsten Bestandteil des Phenolstoffwechsels in Moosen. Die Biologen schließen aus ihren Ergebnissen, dass die Entwicklung der Kutikula bei den Moosen der Evolution von Lignin, Cutin und Suberin in Samenpflanzen zeitlich voranging. Die Kutikula wurde also im gemeinsamen Vorfahren von Moosen und Samenpflanzen erstmals herausgebildet: in den Ur-Landpflanzen, die das Wasser verließen, auf Steinen wuchsen und so die Grundlage für alle heutigen Ökosysteme auf den Kontinenten schufen.
Die Ergebnisse enthüllen eine der frühesten evolutionären Innovationen, 
die den ersten Pflanzen vor über 450 Millionen Jahren halfen, auf dem Festland zu überleben, erklärt Reski. „Zudem ermöglichen sie eine neue biotechnologische Strategie, Biopolymere in Pflanzen herzustellen – abseits der wissenschaftlich gut untersuchten Produktion von Lignin bei Bäumen.“
Originalpublikation: Hugues Renault et al. (2017): A phenol-enriched cuticle is ancestral to lignin evolution in land plants. Nature Communications 8, 14713.
Univ. Freiburg

Auch interessant

von