Für Pflanzen, die vor 470 Millionen Jahren die Erde besiedelten, wurden zwei kritische Gene identifiziert

Forscher haben ein neues Licht auf die Entstehung des Pflanzenlebens auf der Erde geworfen

Forscher aus Universität Kopenhagen Es hat ein neues Licht auf die Entstehung des Pflanzenlebens auf der Oberfläche unseres Planeten geworfen. Konkret zeigten sie, dass Landpflanzen zwei Gene benötigen, um sich vor Pilzbefall zu schützen – ein Abwehrmechanismus, der 470 Millionen Jahre alt ist. Es ist wahrscheinlich, dass diese Abwehrkräfte den Weg für das gesamte Pflanzenleben auf der Erde geebnet haben.

Mads Eggert Nielsen, Biologe an der Universität Kopenhagen.

Pflanzen entwickelten sich vor fast einer halben Milliarde Jahren von Wasseralgen zu der Fähigkeit, auf der Erde zu überleben und legten den Grundstein für das Leben auf der Erde. Eines der Hindernisse, die diese dramatische Transformation so schwierig machten, waren die Pilze:

Es wird geschätzt, dass vor 100 Millionen Jahren Pilze auf der Suche nach Nahrung über die Erdoberfläche krochen, die höchstwahrscheinlich in toten Algen gefunden wurden, die aus dem Meer angespült wurden. Wenn Sie sich also als neue Pflanze auf dem Boden etablieren wollen und das erste, auf das Sie stoßen, ein Pilz ist, der Sie frisst, brauchen Sie eine Art Abwehrmechanismus“, sagt Mads Eggert Nielsen, Biologe in der Institut für Pflanzen- und Umweltwissenschaften an der Universität Kopenhagen.

Laut Mads Eggert Nielsen und Forscherkollegen vom Department of Plant and Environmental Sciences und der University of Paris-Sclay lässt sich der Kern dieses Abwehrmechanismus auf zwei Gene eingrenzen, PEN1 und SYP122. Zusammen tragen sie dazu bei, eine Art Komponente in Pflanzen zu bilden, die das Eindringen von Pilzen und pilzähnlichen Organismen verhindert.

„Wir haben entdeckt, dass wir, wenn wir diese beiden Gene in unserem Arabidopsis-Modell zerstören, die Tür für das Eindringen pathogener Pilze öffnen. Wir haben festgestellt, dass sie für die Bildung dieses zellwandähnlichen Pfropfens, der vor den Pilzen schützt, unerlässlich sind. Interessanterweise, Es scheint ein universeller Abwehrmechanismus zu sein, der in allen Landpflanzen zu finden ist“, sagt Mads Eggert Nielsen, Seniorautor der Studie, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde. eLife.

Ich bin in einer 470 Millionen Jahre alten Fabrik aufgewachsen

Die gleiche Funktion testete das Forscherteam im Leberblümchen, einem direkten Nachkommen einer der ersten Landpflanzen der Erde. Indem die Forscher die beiden übereinstimmenden Gene aus dem Leberblümchen in Kressus einbauten, untersuchten sie, ob sie die gleiche Wirkung feststellen konnten. Die Antwort war ja.

Experimente mit Arabidopsis Model Credit: Mads Eggert Nielsen

„Obwohl sich die beiden Pflanzenfamilien, zu denen Arabidopsis und Leberblümchen gehörten, vor 450 Millionen Jahren in unterschiedliche Richtungen entwickelten, teilten sie weiterhin genetische Funktionen. Wir glauben, dass diese Genfamilie mit dem einzigartigen Zweck entstand, diesen Abwehrmechanismus zu steuern, und so war es auch.“ Eine der Grundlagen von Pflanzen, um sich am Boden zu etablieren“, sagt Mads Eggert Nielsen.

Das Zusammenleben von Pflanzen und Pilzen

Pilze waren zwar ein Hindernis für Pflanzen bei ihrem Übergang von Meeresalgen zu Landpflanzen, aber sie waren auch eine Voraussetzung. Mads Eggert Nielsen erklärt, dass, nachdem die Pflanzen die Angriffe der Pilze, die sie auf der Erde fressen wollten, überlebt hatten, das nächste Problem darin bestand, die Nährstoffe zu finden:

Pflanzen in aquatischen Umgebungen haben leichten Zugang zu gelösten Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff. Aber vor 500 Millionen Jahren gab es den Boden, wie wir ihn heute kennen, nicht – nur Felsen. An Gestein gebundene Nährstoffe sind für Pflanzen nur sehr schwer zu bekommen. Aber nicht für Pilze. Andererseits können Pilze keine Kohlenhydrate produzieren – weshalb sie Pflanzen verzehren. Es wird angenommen, dass hier die symbiotische Beziehung zwischen Pflanzen und Pilzen entstanden ist, die dann die Grundlage für die Explosion des terrestrischen Pflanzenlebens in dieser Zeit wurde.“

Die Abwehrstrukturen, die sich in der Pflanze bilden, töten weder die Pflanze noch den Pilz, sie verhindern lediglich das Eindringen des Pilzes.

„Da Pilze nur teilweise in die Pflanze eindringen können, glauben wir, dass ein Wendepunkt entsteht, an dem sowohl die Pflanze als auch der Pilz etwas zu gewinnen haben. Daher war es hilfreich, die Beziehung so beizubehalten. Die Theorie, dass Pflanzen Pilze gezähmt haben, um sich anzusiedeln Das Land gehört uns nicht, aber wir liefern Futter, das diese Idee unterstützt“, sagt Mads Eggert Nielsen.

Kann in der Landwirtschaft angewendet werden

Die neuen Erkenntnisse fügen dem Puzzle der Evolutionsgeschichte der Pflanzen ein wichtiges Puzzleteil hinzu. Noch wichtiger ist, dass sie verwendet werden können, um Pflanzen widerstandsfähiger gegen Pilzbefall zu machen, was für Landwirte ein großes Problem darstellt.

„Wenn sich alle Pflanzen auf die gleiche Weise wehren, sollte dies bedeuten, dass krankheitserregende Mikroorganismen – wie Echter Mehltau, Gelbrost und Kartoffelfäule – einen Weg gefunden haben, die Abwehr ihrer jeweiligen Wirtspflanze zu infiltrieren, zu stoppen oder zu umgehen wollen wissen. Wie machen sie das. Wir werden dann versuchen, die Abwehrkomponenten von den resistenten Pflanzen auf die erkrankten Pflanzen zu übertragen und so eine Resistenz zu erreichen“, sagt Mads Eggert Nielsen.

Mads Eggert Nielsen beteiligt sich an einem von Hans Thordal-Christensen geleiteten und von der Novo Nordisk Foundation unterstützten Forschungsprojekt in der Abteilung für Botanische und Umweltwissenschaften, das sich darauf konzentriert, Nutzpflanzen widerstandsfähiger zu machen, indem Abwehrmechanismen in Pflanzen identifiziert werden, die krankheitsverursachende Mikroorganismen ausprobieren anzusprechen. nah dran.

Zusätzliche Fakten

Forscher haben lange angenommen, dass die Gene PEN1 und SYP122 eine besondere Funktion beim Übergang von Pflanzen aus ihrer aquatischen Phase als Algen zu Landpflanzen haben, aber es gibt keinen konkreten Beweis dafür, ob sie tatsächlich eine Voraussetzung für Pflanzen sind. Abwehrfähigkeiten.

Frühere Studien haben gezeigt, dass Pflanzen durch die Zerstörung des PEN1-Gens ihre Fähigkeit verlieren, sich gegen Echten Mehltau zu wehren. Wenn jedoch das eng verwandte Gen SYP122 zerstört wird, passiert nichts. Die neuen Forschungsergebnisse zeigen, dass die beiden Gene zusammen einen wichtigen Schlüssel im Abwehrmechanismus der Pflanze darstellen.

Referenz: „Pflanzen-SYP12-Strukturen vermitteln eine evolutionär konservierte allgemeine Immunität gegen Nematoden-Pathogene“ Von Hector M. Rubiato, Mingqi Liu, Richard J. O’Connell und Mads E. Nielsen, 4. Februar 2022, hier verfügbar. eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.73487