Uralter Mechanismus der Pflanzenabwehr in frühen Landpflanzen entdeckt

Hinweise aus 400 Millionen Jahre alten Fossilien enthüllen die Evolution pflanzlicher Abwehrmechanismen
 

In einer neuen Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift Development veröffentlicht wurde, zeigen Wissenschaftler:innen, dass ein als laterale Hemmung bekannter Prozess die räumliche Anordnung spezialisierter Zellen in Lebermoosen steuert. Lebermoose gehören zu den ältesten Abstammungslinien der Landpflanzen. Ein internationales Team unter der Leitung von Josep Mercadal, Postdoktorand in der Gruppe von Pau Formosa-Jordan am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, kombinierte Fossilienanalysen, vergleichender Biologie und mathematische Modellierung. Dabei zeigte sich, dass dieser Mechanismus nicht nur bei heutigen Arten vorkommt, sondern bereits vor über 400 Millionen Jahren wirksam war.
 

Die laterale Hemmung ist eine weit verbreitete Entwicklungsstrategie, bei der Zellen mit ihren unmittelbaren Nachbarzellen kommunizieren, um deren Differenzierung in denselben Zelltyp zu verhindern. Dadurch entstehen häufig regelmäßig angeordnete Muster unterschiedlicher Zelltypen – ein Prinzip, das bei vielen Organismen vorkommt.

Das Team identifizierte einen uralten Mechanismus, der die Anordnung von Ölkörperzellen in Lebermoosen steuert. Diese spezialisierten Strukturen spielen eine wichtige Rolle in der Abwehr gegen Pflanzenfresser. Analysiert wurden sie sowohl in heutigen Arten als auch in außergewöhnlich gut erhaltenen Fossilien von Metzgeriothallus sharonae, einer der frühesten bekannten Lebermoosarten. In den Fossilien werden diese speziellen Zellen als dunkle Zellen bezeichnet.

Die Forschenden zeigten, dass diese dunklen Zellen in regelmäßigen, gleichmäßig verteilten Mustern angeordnet sind, die für die laterale Hemmung charakteristisch sind. Dies deutet darauf hin, dass dieser Mechanismus der Musterbildung bereits bei einigen der frühesten Landpflanzen vorhanden war.

Da Fossilien nur selten genetische oder molekulare Informationen bewahren, war es bislang schwierig, die evolutionären Ursprünge der Entwicklungsmechanismen der Zellspezifizierung nachzuvollziehen.

Das Team ging diese Herausforderung an, indem sie computergestützte Modelle nutzten, mit denen sich die in fossilen Geweben beobachteten räumlichen Muster rekonstruieren lassen. Dabei zeigte sich, dass sich diese Muster durch einen einfachen Mechanismus erklären lassen, der lokale Aktivierung mit hemmenden Signalen zwischen benachbarten Zellen kombiniert. So entsteht die charakteristische regelmäßige Anordnung unterschiedlicher Zelltypen. Dasselbe Prinzip erklärt auch die Verteilung der Ölkörperzellen in modernen Lebermoosen wie Marchantia polymorpha.

Die Studie zeigt, dass sich in Fossilien erhaltene Zellmuster nutzen lassen, um Rückschlüsse auf zugrunde liegende Entwicklungsmechanismen zu ziehen. Damit eröffnet sie einen neuen Ansatz zur Untersuchung der Evolution und langfristigen Konservierung der Zellspezifizierung über Hunderte Millionen Jahre hinweg.

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die laterale Hemmung ein tief konservierter Mechanismus ist, der die Zelldifferenzierung in Pflanzen seit den frühesten Stadien der Evolution der Landpflanzen steuert. Dies unterstreicht ihre Bedeutung für die Entwicklung von Abwehrstrategien gegen Pflanzenfresser. Die Arbeit verdeutlicht zudem, wie die Kombination von Fossilfunden mit modernen Modellierungsansätzen helfen kann, die Ursprünge grundlegender Entwicklungsprozesse zu entschlüsseln.“ Josep Mercadal