Neuer Stammbaum von Tomaten und Kartoffeln zeigt, dass sich Fruchtfarbe und -größe gemeinsam entwickelt haben

Die Früchte der Nachtschattengewächse, einer Gruppe aus der Familie der Nachtschattengewächse, sind unglaublich vielfältig und reichen von großen roten Tomaten und violetten Auberginen bis hin zu den giftigen grünen Beeren von Kartoffelpflanzen. Ein neuer, verbesserter Stammbaum dieser Gruppe, der von einem internationalen Team unter der Leitung von Forschern der Penn State erstellt wurde, hilft dabei, die auffällige Vielfalt der Fruchtfarben und -größen und ihre mögliche Entwicklung zu erklären.

Das Team stellte fest, dass sich Fruchtgröße und -farbe gemeinsam entwickelten und dass fruchtfressende Tiere nicht, wie bisher angenommen, die Haupttreiber der Fruchtentwicklung waren. Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Neuer Phytologekönnen auch Einblicke in die Züchtung landwirtschaftlich wichtiger Pflanzen mit wünschenswerteren Eigenschaften geben, sagten die Forscher.

„Es gibt ungefähr 1.300 Arten in der Gattung Solanum, was sie zu einer der vielfältigsten Pflanzengattungen der Welt macht“, sagte João Vitor Messeder, ein Doktorand in Ökologie und Biologie am Penn State Eberly College of Science und den Huck Institutes für das Leben. Wissenschaft und Hauptautor des Artikels.

„Seit den 1970er und 1980er Jahren vermuten Forscher, dass Vögel, Fledermäuse und andere fruchtfressende Tiere für die Entwicklung von Früchten wie denen des Nachtschattens verantwortlich seien. Allerdings wurde die Bedeutung der Evolutionsgeschichte von Pflanzen unterschätzt oder bei der Bewertung selten berücksichtigt.“ fleischige Fruchtvielfalt.

„Um diese Hypothese besser zu testen, mussten wir zunächst eine robustere Phylogenie oder einen Stammbaum dieser Pflanzengruppe erstellen, um unser Verständnis der Beziehungen zwischen Arten zu verbessern.“

Pflanzen der Gattung Solanum produzieren Früchte in den unterschiedlichsten Größen, Farben und Nährwerten. Sie können schwarz, lila, rot, grün, gelb oder orange erscheinen und haben eine Größe von weniger als einem Viertel Zoll bis 8 Zoll oder 0,5 bis 20 Zentimetern.

Zusätzlich zu landwirtschaftlich wichtigen Pflanzen werden einige Pflanzen dieser Gruppe wegen ihrer Zierblüten angebaut, und die Früchte vieler dieser Pflanzen werden von Menschen und einer Vielzahl von Tieren, darunter Vögeln, Fledermäusen, Mäusen, Reptilien, Primaten und anderen Landtieren, verzehrt Säugetiere. .

Die Forscher sammelten Pflanzenproben aus der ganzen Welt, darunter Wildpflanzen aus Brasilien, Peru und Puerto Rico sowie Pflanzen aus botanischen Gärten, und sequenzierten ihre Gene aus RNA.

Sie ergänzten ihre Arbeit mit zuvor gesammelten Proben und öffentlich verfügbaren Daten und verglichen schließlich die Sequenzen von 1.786 Genen von insgesamt 247 Arten, um den Solanum-Stammbaum zu rekonstruieren. Dazu gehörten Vertreter aller 10 Hauptkladen – der Zweige des Baumes – und 39 der 47 Nebenkladen der Gattung.

„Durch die Verwendung von Tausenden von Genen, die zwischen Arten geteilt wurden und die tatsächlich die gesamte Gattung repräsentierten, haben wir den Solanum-Stammbaum deutlich verbessert und ihn zum bisher vollständigsten gemacht“, sagte Messeder, der die Forschung im Labor von Hong Ma, Huck-Professor für Entwicklung, leitete und Evolution der Pflanzenreproduktion und Professor für Biologie an der Penn State und Mitautor des Artikels.

„Die jüngsten technologischen Fortschritte haben es uns ermöglicht, mehr Gene zu verwenden als frühere Studien, die bei der Lösung der Beziehungen zwischen Arten und Kladen vor vielen Herausforderungen standen. Dieser verbesserte Baum hilft uns zu verstehen, wann verschiedene Farben und Fruchtgrößen auftraten oder wie sie sich veränderten, als neue Pflanzenarten auftauchten.“ .

Die Forscher fügten eine beträchtliche Auflösung kleinerer Zweige der Gruppe hinzu, zu der Kartoffeln und Tomaten sowie deren näher und weiter entfernt verwandte Wildarten gehören. Den Forschern zufolge könnten die gewonnenen Erkenntnisse Programme zur Verbesserung der Nutzpflanzen dieser und anderer Nutzpflanzen unterstützen.

„Wenn die nächsten wilden Verwandten wichtiger landwirtschaftlicher Nutzpflanzen wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, ist es möglich, Nutzpflanzen mit diesen Arten zu schaffen oder ihre Gene auszuleihen, um beispielsweise die Widerstandsfähigkeit gegen Temperatur oder Schädlinge zu verbessern oder um größere Früchte oder eine bestimmte Farbe zu produzieren. “, sagte Messeder.

Die Forscher fanden heraus, dass Farbe und Größe der Solanum-Früchte im Laufe der Evolutionsgeschichte weitgehend erhalten blieben, was bedeutet, dass eng verwandte Arten tendenziell ähnliche Früchte haben. Die Entwicklung der Fruchtfarbe und -größe ist ebenfalls korreliert, wobei Veränderungen in einem Merkmal oft mit Veränderungen in dem anderen korrespondieren, was dazu führt, dass Früchte einiger Farben größer sind als Früchte anderer Farben.

„Diese Ergebnisse legen nahe, dass physiologische und molekulare Mechanismen eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Entwicklung der Fruchtfarbe und -größe spielen könnten“, sagte Messeder. „Obwohl Frugivoren – also Tiere, die sich hauptsächlich von Früchten ernähren – und Samenverbreiter die Diversifizierung beeinflussen können, müssen wir alle Möglichkeiten in Betracht ziehen, wenn wir untersuchen, wie Früchte so vielfältig wurden.“

Die Forscher klärten auch den Ursprung und den Zeitplan der Diversifizierung dieser Gattung, unter anderem durch die Einbeziehung aktueller Informationen zum ältesten Fossil der Nachtschattengewächse (einer Gattung, die sich von der Nachtschattengewächse unterscheidet, deren Fossil auf die Zeit vor etwa 52 Millionen Jahren datiert wurde) und so weiter bestimmte Gene, die die Schätzungen der Länge von Evolutionszweigen verbesserten.

Die Forscher datierten den Ursprung von Solanum auf die Zeit vor etwa 53,1 Millionen Jahren, 30 Millionen Jahre früher als frühere Schätzungen, die auf Genen aus anderen Teilen der Pflanzenzelle basierten. Dies zeichnet ein neues Bild der Umwelt, die möglicherweise die Diversifizierung dieser Pflanzen in neue Gruppen und Arten beeinflusst hat.

„Die Umwelt der Erde hat sich in den letzten 30 Millionen Jahren in Bezug auf Temperatur, atmosphärisches Kohlendioxid, Geographie und Tiervielfalt dramatisch verändert“, sagte Messeder. „Da wir nun wissen, wann Solanum und seine Untergruppen auftauchten, können wir darüber nachdenken, welche Bedingungen die Diversifizierung dieser Gruppe begünstigt haben könnten und welche Rolle andere Organismen möglicherweise gespielt haben.“

Das Team fand heraus, dass frühe Mitglieder der Nachtschattengewächse mittelgroße Beeren hatten, die im reifen Zustand grün blieben, und dass die grünen und gelben Früchte dieser Gruppe vor etwa 14 Millionen Jahren vielfältiger wurden.

Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass Fledermäuse aufgrund ihres ähnlichen evolutionären Zeitrahmens eine Rolle bei dieser Diversifizierung gespielt haben könnten und dass sie die Hauptverbreiter moderner grüner und gelber Solanum-Früchte sind. Als neue Fledermausarten dort auftauchten und wuchsen, wo sie damals lebten, fraßen sie Solanum-Früchte und trugen ihre Samen in neue Umgebungen.

Als Nächstes wollen die Forscher untersuchen, wie moderne Interaktionen zwischen Tieren und den von ihnen verzehrten Früchten Aufschluss über die Entwicklung beider Gruppen geben können. Außerdem wollen sie die Entwicklung einiger Gene untersuchen, die für die Farbe und Größe der Früchte relevant sind.