Wie kommt eine Rose zu ihren Stacheln? Neue Studie gibt Antworten

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Rosen sind nicht nur ein Symbol für Liebe und Romantik, sondern auch allgemein für ihre scharfen Stacheln bekannt – Stacheln, die aus den Stängeln herausragen, um Tiere abzuwehren, die an den Knospen knabbern wollen.

Sie sind nicht die einzigen Pflanzen, die über diesen Abwehrmechanismus verfügen: Auch andere Blumen wie die Spinnenblume oder der Brombeerstrauch, der für Himbeeren und Brombeeren verantwortliche Blütenstrauch, haben scharfe Stacheln, ebenso wie bestimmte Kulturpflanzen wie Tomaten, Auberginen, Gerste und Reis.

Aber wie konnten alle diese Arten, von denen sich viele über Millionen von Jahren getrennt entwickelten, das gleiche stachelige Merkmal haben? Ein Team internationaler Forscher hat herausgefunden, dass die Antwort in ihrer DNA liegt, und führt den Ursprung auf eine alte Familie von Genen zurück, die für die Stacheligkeit all dieser Variationen verantwortlich sind, so eine neue Studie, die am Donnerstag in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Diese Ergebnisse öffnen nicht nur die Tür für Wissenschaftler, die nach dornenlosen Varianten suchen, sondern bieten auch Einblicke in die Evolutionsgeschichte einer äußerst vielfältigen Pflanzengattung, sagen Experten.

Die Entwicklung der Federkiele

Im Gegensatz zu populärkulturellen Hinweisen haben Rosen keine Dornen, bei denen es sich um die scharfen, holzigen Spitzen einiger Sträucher und Bäume handelt, darunter Honigheuschrecken und Zitrusbäume. Stattdessen haben die Blüten Stacheln, die sich aus der Haut der Pflanze bilden, ähnlich wie Haare wachsen.

Federkiele gibt es schon seit mindestens 400 Millionen Jahren, als Farne und ihre Verwandten mit Federkielen an den Stielen auftauchten. Dieses Merkmal sei seitdem zu verschiedenen Zeitpunkten in der Evolution aufgetaucht – und wieder verschwunden –, sagte der Co-Autor der Studie, Zachary Lippman, ein Pflanzenbiologe und Professor für Genetik am Cold Spring Harbor Laboratory auf Long Island, New York.

Eine der vielfältigsten Pflanzengattungen namens Solanum, zu der Nutzpflanzen wie Kartoffeln, Tomaten und Auberginen gehören, begann vor 6 Millionen Jahren mit dem Wachstum von Dornen. Heute gibt es weltweit mehr als 1.000 Arten der Gattung, von denen nach Angaben der University of Utah etwa 400 aufgrund ihrer Stacheln „dorniges Nachtschattengewächs“ genannt werden.

Wenn ein gemeinsames Merkmal, wie z. B. Federkiele, unabhängig voneinander in verschiedenen Abstammungslinien und Arten auftritt, spricht man von konvergenter Evolution und tritt auf, wenn sich Arten auf ähnliche Weise an bestimmte Umweltbedürfnisse anpassen. Flügel seien ein weiteres Beispiel für ein Merkmal, das sich auf diese Weise bei verschiedenen Vogelarten entwickelt habe, aber auch bei anderen Tieren wie Fledermäusen und sogar einigen Arten von Eichhörnchen, die eine flügelförmige Struktur hätten, sagte Lippman, der ebenfalls an der Universität forscht das Howard Hughes Medical Institute.

Stacheln und Dornen sind eine entwickelte Abwehr gegen Pflanzenfresser (Tiere, die Pflanzen fressen) und können der Studie zufolge auch das Wachstum, den Wettbewerb zwischen Pflanzen und die Wasserretention fördern. Bisher war unklar, was genau die Stachelbildung bei Farnen und anderen nicht verwandten Pflanzen verursacht. Nun haben die Autoren der Studie herausgefunden, dass eine alte Genfamilie namens Lonely Guy (LOG) als Torwächter für dieses Merkmal fungierte und es im Laufe von Millionen von Jahren bei verschiedenen Arten ein- und ausschaltete.

Die Gene des einsamen Kerls

Indem sie Dornen von verschiedenen Arten, darunter Rosen und Auberginen, entfernten, entdeckten die Autoren, dass ein LOG-Gen für die Dornen in etwa 20 untersuchten Pflanzenarten verantwortlich war. LOG-bezogene Gene kommen in allen Pflanzen vor, sogar in Moosen, die als die ersten Trockenlandpflanzen gelten, sagte Lippman. Diese Gene sind für die Aktivierung eines Hormons namens Cytokinin verantwortlich, das für die Grundfunktionen einer Pflanze auf zellulärer Ebene wichtig ist, einschließlich der Zellteilung und -expansion, was wiederum das Pflanzenwachstum beeinflusst.

„Dies ist kein gewöhnlicher Vorfahre, der Dornen hatte, sich dann über 400 Millionen Jahre auf alle anderen ausbreitete und dann sporadisch verloren ging. Tatsächlich scheint es, dass diese Stacheln leicht ihren Weg in verschiedene Abstammungslinien gefunden haben“, sagte Lippman. „Die Frage ist, wie oft es bei der konvergenten Evolution nicht nur um das Merkmal geht, das wir beobachten, sondern auch um die Gene, die ihm zugrunde liegen. »

Er fügte hinzu: „Unsere Studie ist meiner Meinung nach wahrscheinlich die erste, die wirklich die Leistungsfähigkeit dieser Werkzeuge (genetische und genomische Sequenzierung) demonstriert, um eine so große evolutionäre Distanz abzudecken, um diese sehr klassische Frage zur konvergenten Evolution in der Evolution von Pflanzen oder Pflanzen zu stellen.“ tierische Organismen. »

Diese Entdeckung stellt ein wertvolles Hilfsmittel für Forscher dar, die den Schutzgrad von Federkielen gegen Pflanzenfresser bestimmen möchten. Dieses Maß an Schutz war bisher schwer einzuschätzen, da das manuelle Entfernen von Stacheln aus bereits gewachsenen Pflanzen – um zu testen, ob sie ohne sie anfälliger sind – das Gewebe schädigt und die Pflanzengesundheit gefährden kann, sagte Tyler Coverdale, Assistenzprofessor für Biowissenschaften an der University of Notre Dame, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.

„Durch die Eliminierung von Dornen durch gezielte genetische Mutationen können wir die ökologische Rolle der physischen Abwehrkräfte von Pflanzen besser verstehen“, sagte Coverdale in einer E-Mail. „Stacheln sind eine wichtige evolutionäre Entwicklung, die es Pflanzen ermöglicht, Pflanzenfressern zu widerstehen, weshalb viele stachelige Solanum-Arten in Gebieten vorkommen, in denen die Vielfalt großer Pflanzenfresser historisch hoch ist. Ohne diese Schlüsselinnovation wäre die Verbreitung und Vielfalt von Solanum möglicherweise viel eingeschränkter. »

Stacheln werden genetisch unterdrückt

Vor dieser Entdeckung bestand eine andere Methode zum Entfernen von Dornen aus Pflanzen darin, zu versuchen, die Pflanze mit einer anderen Variante zu kreuzen, die auf natürliche Weise ihre Dornen verloren hatte, weshalb es heute einige Arten dornenloser Rosensträucher gibt.

Doch nachdem nun das für die Stacheln verantwortliche Gen identifiziert wurde, können Wissenschaftler sie mithilfe von Genombearbeitungstechniken wie CRISPR eliminieren, einer Methode, mit der Wissenschaftler die DNA lebender Organismen verändern. Eine gezielte Genbearbeitung könne leichter zu mehr Variation führen und habe weniger Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Fruchtproduktion, sagte Coverdale.

„Diese Studie verrät uns nicht nur mehr über die Entwicklung der Stacheln im Besonderen, sondern gibt uns auch Einblick in die Mechanismen der Gestaltung pflanzlicher Entwicklungspfade zur Verbesserung der Landwirtschaft“, sagte Vivian Irish, Pflanzenbiologin und Professorin in der Abteilung für Molekulare Forschung. Zell- und Entwicklungsbiologie an der Yale University. Irish war nicht an der neuen Studie beteiligt, war aber Hauptautor einer Studie aus dem Jahr 2020, in der festgestellt wurde, dass Dornen durch Stammzellaktivität auf Pflanzen wachsen.

„(LOG-Gene) wurden in verschiedenen Pflanzenarten wiederholt für die Bildung von Stacheln kooptiert (eine biologische Änderung der Funktion eines Merkmals) und gingen auch wiederholt in Abstammungslinien verloren, in denen Stacheln verloren gingen.“ …(C)optation auf vielen verschiedenen Ebenen könnte durchaus die Faustregel der Natur sein, und diese Innovation spiegelt in vielen Fällen möglicherweise die Wiederverwendung alter Gene auf neue Weise wider“, fügte sie in einer E-Mail hinzu.

Für landwirtschaftliche Zwecke könnte das Entfernen von Dornen die Ernte erleichtern und den Weg für die Einführung weniger bekannter Produkte in Lebensmittelgeschäften ebnen.

Als Beispiel nennen die Autoren Wüstenrosinen, Beeren, die an dornigen Büschen wachsen und in Australien heimisch sind. Wenn die Dornen entfernt würden, ließe sich die Beere viel einfacher züchten und würde eher wie gewöhnliche Beeren aus dem Supermarkt wie Blaubeeren und Erdbeeren aussehen, sagte Lippman.

„Es geht wirklich darum, mehr Wissen zu haben … und zu verstehen, wie wichtig Mutationen dabei waren, uns die Nahrung zu geben, die wir in dem Ausmaß essen, in dem wir sie essen, und zu wissen, dass es noch mehr Potenzial gibt“, sagte Lippman. „Je mehr wir über die zugrunde liegenden Mechanismen wissen, desto mehr Möglichkeiten haben wir, das System oder, wenn Sie so wollen, die Engine zu optimieren, um es noch effizienter zu machen. »

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