15. November 2016

Unter den Blütenpflanzen weist die Familie der Rosengewächse (Rosaceae) eine unglaubliche Vielfalt auf, darunter klassische Rottöne wie die amerikanische Schönheit. Aber die Familie der Rosaceae ist nicht nur eine Zierpflanze, die sich perfekt als romantisches Geschenk eignet, sondern auch ein wichtiger Bestandteil der weltweiten Ernährung und der Wirtschaft mit Nutzpflanzen. Sie weisen eine außergewöhnliche Variationsbreite in Größe und Form von Bäumen, Sträuchern und saftigen Früchten auf, von Erdbeeren und Himbeeren über Jonathan-Äpfel, Pflaumen, Kirschen und Mandeln bis hin zu köstlichen Georgia-Pfirsichen.

Für Evolutionsbiologen bieten die Rosengewächse eine hervorragende Gelegenheit zu verstehen, wie sich die Früchte von den Urtypen zu den heutigen trockenen oder fleischigen Sorten entwickelt haben, die sich mit Hilfe von Tieren zu einer weltweiten Verbreitung von etwa 3.000 bekannten Arten entwickelt haben.

In einer neuen internationalen Zusammenarbeit zwischen chinesischen und US-amerikanischen Institutionen, darunter die Fudan Universität, das Huanggang Normal College, die Pennsylvania State University und die Smithsonian Institution, unter der Leitung der Professoren Hong Ma und Jun Xiang, haben die Autoren eine Evolutionsstudie über die Früchte der Rosaceae durchgeführt, die auf der Analyse von 125 Blütenpflanzen mit großen Gensequenzdatensätzen beruht, darunter die von 117 Rosaceae-Arten.

Ihre Ergebnisse, die in der frühen Online-Ausgabe der Zeitschrift Molecular Biology and Evolution veröffentlicht wurden, zeigen ein neues evolutionäres Bild von Größe und Form der Rosaceae-Pflanzen, von Blüten und vor allem von Früchten.

Zunächst wurde ein neuer Lebensbaum für die Rosaceae rekonstruiert, indem neu erhaltene Kerngensequenzen verwendet wurden, um die Evolution von Fruchtarten und anderen Merkmalen im Kontext geologischer Zeiten zu untersuchen. Sie fanden auch deutliche Hinweise auf eine Verdoppelung des gesamten Genoms, die wahrscheinlich neue Gene hervorbrachte, die zur Vielfalt der Rosaceae beitrugen.

Der neue Evolutionsbaum verfolgt die Anfänge der Rosaceae-Familie bis vor etwa 120 Millionen Jahren (Mya) zurück, als sich der Vorfahr der Rosaceae von anderen Familien trennte. Fast 20 Millionen Jahre später spaltete sich die Strauch-Unterfamilie Dryadoideae von den anderen beiden Unterfamilien ab, woraufhin die beiden größten Unterfamilien um etwa 100 Mya an der Grenze zwischen früher und später Kreidezeit auseinandergingen. Von dort aus haben weitere Expansionen über Äonen hinweg zu den 3.000 Arten geführt, die es heute gibt.

Die Analyse der vielen Tausend Gensequenzen lieferte außerdem deutliche Hinweise auf mehrere Genomverdoppelungen, die wahrscheinlich die Spezialisierung von Baumgröße und Früchten erleichterten. Sie stützen nicht nur die Hypothese, dass es beim Stamm der Äpfel (einer großen Gruppe mit vielen Gattungen) zwei eng beieinander liegende Genomverdoppelungen gab, sondern enthüllten auch eine weitere Verdoppelung im Stamm der Amygdaleae, zu denen die Kernobstarten Pflaumen, Kirschen, Mandeln, Aprikosen und Pfirsiche gehören.

„Es ist wahrscheinlich, dass die hier entdeckten Genomverdopplungen und Umweltfaktoren, wie z. B. Tierfütterung, zur Evolution der vielen Fruchtarten bei den Rosaceae beigetragen haben. Die Ergebnisse der Studie bilden eine Grundlage für das Verständnis der Fruchtevolution bei Blütenpflanzen“, so Hong Ma, einer der Leiter der Studie.

Ausgehend von ihrem neu entwickelten Stammbaum zeichneten sie die Entwicklungsgeschichte der Fruchtformen nach. Die Autoren vermuten, dass die Urfrüchte der Unterfamilie mit Äpfeln und Pfirsichen wahrscheinlich aus fünf zusammenhängenden Follikeln bestanden.

„Vergrößerte und fleischige Früchte haben sich wahrscheinlich auf zwei verschiedene Arten entwickelt. Zum einen wurde die innere Fruchtwand (oder Endokarp) hart und bildete das Nuculanium; zum anderen wurde die zuvor trockene mittlere Fruchtwand (oder Perikarp) fleischig und die Anzahl der Fruchtblätter verringerte sich auf ein oder zwei, was schließlich zur Steinfrucht (entsteinte Früchte wie Pfirsich, Pflaume, Kirsche und Aprikose) führte“, so Jun Xiang, der das Projekt mit leitete. „Oder nachdem fünf Fruchtblätter zusammengewachsen sind, wird der Fruchtknoten urnenförmig und umhüllt die Stempel weiter, was zu halbunterständigen (wie Weißdorn) und ganz unterständigen (wie Apfel) Fruchtknoten führt.“

Aber eine Rosenfamilie – egal wie sie heißt – bedeutet auch, dass man sich auf die Blüten konzentriert. Was die Blüten anbelangt, so haben die meisten Rosaceae-Arten einige gemeinsame Vorfahren, wie z. B. das Hypanthium, das aus dem Blütenboden und dem unteren Teil des Perianths (Kelch- und Kronblätter) und den Staubblättern besteht, und die fünfzähligen Kelch- und Kronblätter (die vom Wind verbreiteten Arten haben meist keine Kronblätter). Die Anzahl und Form der Stempel variiert jedoch zwischen den verschiedenen Gruppen der Familie. „Ein apokarper Griffel mit oberständigem Fruchtknoten und zahlreichen Fruchtblättern wird als das ursprüngliche Merkmal der Rosaceae unterstützt“, so Ma.

Die Autoren kommen auch zu dem Schluss, dass sich die Pflanzen der Rosaceae-Arten höchstwahrscheinlich aus Sträuchern entwickelten. „Die meisten Arten der Unterfamilie Rosoideae (einschließlich Erdbeere und Himbeere) neigen dazu, sich zu mehrjährigen oder einjährigen Kräutern mit kleinen zusammengesetzten Blättern und einer Masse kleiner trockener Samen zu verkleinern“, so Hong Ma. „Im Gegensatz dazu haben sich die Bäume im Stamm der Apfel- und Birnengewächse und im Stamm der Pfirsichgewächse (Amygdaloideae) mit mehr Lichteinfall und mehr Blättern zum Sammeln von Lichtenergie unabhängig voneinander entwickelt.“ „Diese Vorteile könnten es den Mitgliedern dieser Stämme ermöglicht haben, mehr Früchte pro Pflanze und mehr fleischige und nahrhafte Früchte zu produzieren, um Tiere anzulocken“, so Jun Xiang.

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