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Algengenom enthüllt Entstehungsgeschichte der Chloroplasten

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Glaucocystis sp. sind einzellige Algen, die Plastiden besitzen. Das Genom dieser Plastiden ähnelt dem frei lebender Cyanobakterien. Quelle: Kanazawa, Ishikawa Pref., Japan / Wikimedia Commons

22.02.2012  - 

Vor 1,3 Milliarden Jahren entstanden die ersten Eukaryonten, die Photosynthese betreiben konnten. Der entscheidende Schritt war dabei die Integration eines Cyanobakteriums – auch Blaualge genannt – in die Einzeller. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat entdeckt, dass dieser Schritt mit hoher Wahrscheinlichkeit nur ein einziges Mal in der Geschichte der grünen Pflanzen gemacht wurde. Neben den leitenden US-Forschern aus New Brunswick arbeiteten auch deutsche Bioinformatiker an der Veröffentlichung mit, die in der Zeitschrift Science (2012, Bd. 335, Nr. 6070) erschienen ist.

Wahrscheinlich war es der folgenreichste Snack in der Geschichte des Lebens auf der Erde. In grauer Vorzeit, als es in der Erdatmosphäre noch keinen freien Sauerstoff gab, bestand das Leben nur aus einfachen Mikroorganismen. Einige dieser Bakterien erlangten die Fähigkeit, das Sonnenlicht als Energiequelle zu nutzen. Als etwas später – wahrscheinlich passierte dies im Proterozoikum vor etwa 1,3 Milliarden Jahren – eine Algenart ein solches photosynthetisches Cyanobakterium zwar auffraß aber nicht verdaute, entwickelte sich eine evolutionär erfolgreiche Symbiose.

Die Entstehung der Chloroplasten der Landpflanzen wird über die Endosymbiontentheorie elegant erklärt. Die über 300.000 bekannten Pflanzenarten formten das Antlitz der Erde nachhaltig.  Aber nicht nur die Landpflanzen, auch Rot- und Grünalgen, und die sogenannten Glaukophyten verdanken ihre Existenz einer solchen Verdauungsstörung. Bislang war es allerdings noch strittig, ob sich dieses Ereignis bei den erwähnten Lebewesen evolutionär wirklich nur ein einziges Mal zugetragen hat.

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Mit Hilfe einer vergleichenden Genomanalyse konnte dies jetzt aber überzeugend belegt werden. Die Ergebnisse dieser internationalen Gemeinschaftsanstrengung – zu der auch fünf Forscher aus Deutschland beitrugen – sind im Fachmagazin Science veröffentlicht worden.

Eine Süßwasseralge im Rampenlicht

Der Gegenstand der Untersuchungen stammte weder aus der Gruppe der Grünalgen und Landpflanzen noch aus der Gruppe der Rotalgen. Unter der Leitung von Debashish Bhattacharya von der Rutgers Universität in New Brunswick arbeiteten 30 Forscher aus sechs Ländern zunächst an der Sequenzaufklärung der Erbinformation eines Glaukophyten. Die kleine Süßwasseralge Cyanophora paradoxa besitzt Peptidoglykane an den Zellwänden des einverleibten Cyanobakteriums, was sie von Organismen aus den beiden Schwestergruppen unterscheidet. Bei der untersuchten primären Endosymbiose wurde von einem Eukaryonten ein Cyanobakterium aufgenommen, bei sekundären Endosymbiosen wurden Eukaryonten aufgenommen. In beiden Fällen wird das geschluckte, photosynthetisch aktive Zellorganell als Plastid bezeichnet.

Genwanderung zwischen Plastid und Kern

Zu den deutschen Forschern zählt zum Beispiel Jürgen Steiner von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Laut Steiner hat es die Analyse des Genoms deutlich erschwert, dass im Laufe der Zeit Gensequenzen vom aufgenommenen Bakterium in das Kerngenom des Wirts gewandert sind. Dabei ist es oftmals so, dass die dann im Wirt entstehenden Proteine wieder den Weg zurück zum Plastiden finden müssen: „Das klingt simpel, ist aber ein hochkomplexer Transportprozess“, so Steiner. Ein Ergebnis der Sequenzbestimmung erlaubt Rückschlüsse auf die Evolution von Eiweißmolekülen zu ziehen, erklärt Steiner weiter: „Wir haben im Kerngenom rund 28.000 Proteingene gefunden und konnten darauf aufbauend Proteinstammbäume darstellen.“ Die Auswertung dieser Abstammungslinien und der Vergleich mit Gendaten von Rot- und Grünalgen lässt wenig Zweifel aufkommen: Die Plastiden der Glaukophyten und der beiden Schwestergruppen haben einen gemeinsamen Ursprung. Die Aufnahme des Cyanobakteriums erfolgte nur einmal, alle Lebewesen dieser Gruppen stammen von diesem gemeinsamen Urahn ab.

Schematische (links) und elektronenmikrographische (rechts) Darstellung von C. paradoxa. Die Süßwasseralge besitzt zwei Flagellen (f), der Plastid (p) enthält einen Zentralkörper (cb). Weiterhin zu erkennen: Zellkern (n), Mitochondrion (m), Stärkekörner (st) und Peptidoglykanwände (s).Lightbox-Link
Schematische (links) und elektronenmikrographische (rechts) Darstellung von C. paradoxa. Die Süßwasseralge besitzt zwei Flagellen (f), der Plastid (p) enthält einen Zentralkörper (cb). Weiterhin zu erkennen: Zellkern (n), Mitochondrion (m), Stärkekörner (st) und Peptidoglykanwände (s).Quelle: Price et al. / AAAS
Auch bei diesem bioinformatischen Puzzlespiel waren deutsche Forscher mit von der Partie. Nachdem das Algengenom vollständig entziffert war, platzierten Stefan Rensing und Aikaterini Symeonidi von der Albert-Ludwig-Universität Freiburg die Art in den Stammbaum des Lebens. Durch ihre sogenannten phylogenomischen Analysen konnten sie Verunreinigungen der Gensequenzen erkennen und aussortieren – und so entscheidend zur Bestätigung der Hypothese der einmaligen Verdauungsstörung beitragen.

Kein „lebendes Fossil“

Allerdings bleiben noch einige Fragen ungeklärt. Die Forscher konnten zum Beispiel nicht klären, wie die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den drei Schwestergruppen sind. Sie untersuchten 60 Gene, die nicht bei allen Organismen vorhanden waren, genauer: 24 davon kamen nur in Glaukophyten und Grünalgen, 10 nur in Glaukophyten und Rotalgen und 26 nur in Grün- und Rotalgen vor. Für einen eindeutigen Stammbaum sind diese Ergebnisse nicht brauchbar. Der Schleimpilzökologe Frederick W. Spiegel kommentiert daher in Science, dass man bei Cyanophora paradoxa nicht von einem „lebenden Fossil“ sprechen könne: „Die Glaukophyten nehmen vielleicht sogar keine ‚primitive’ Position im Stammbaum der Pflanzen ein. Noch könne man nämlich nicht sagen, welcher Zweig sich eher abgespaltet hat und als ursprünglich bezeichnet werden kann.“

© biotechnologie.de/ml
 

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