Wie sich die ersten Wurzeln vor mehr als 400 Millionen Jahren entwickelten

Entwicklung der Pflanzenwurzeln als Wurzel der Pflanzenevolution – mit dramatischen ökologischen Folgen.

Ein Pflanzenfossil aus einer geologischen Formation in Schottland bringt neue Erkenntnisse über die Entwicklung der frühesten bekannten Form von Wurzeln.

Ein Team unter der Leitung von Forschern des Wiener Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (GMI), der Universität Edinburgh und der Universität Oxford hat die erste 3D-Rekonstruktion einer Pflanze aus dem Devon realisiert, die ausschließlich auf fossilen Belegen beruht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Auftreten verschiedener Achsentypen an den Verzweigungspunkten zur weiteren Diversifizierung führte, kurz nachdem sich die Landpflanzen vor etwa 400 Millionen Jahren entwickelt hatten. Die Ergebnisse wurden nun im Journal eLife veröffentlicht.

Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie sich die älteste bekannte Wurzelachse vor mehr als 400 Millionen Jahren entwickelte. Die Entwicklung der Wurzeln zu dieser Zeit war ein einschneidendes Ereignis, das sich auf unseren Planeten und unsere Atmosphäre auswirkte und zu ökologischen und klimatischen Veränderungen führte.

Die erste evidenzbasierte 3D-Rekonstruktion von fossilen Asteroxylon mackiei, einer strukturell komplexen Pflanze aus dem Rhynie Chert, zeigt, wie sich Wurzeln und andere Arten von Achsen in dieser uralten, ausgestorbenen Pflanze entwickelten. Das Fossil ist im Hornstein (einer Art Feuerstein, engl. chert) erhalten, der in der Nähe des Dorfes Rhynie in Aberdeenshire, Schottland, gefunden wurde. Die Exemplare sind in den 407 Millionen Jahre alten Gesteinen aus der frühen Devonzeit außergewöhnlich gut erhalten.

Die ausgestorbene Gattung Asteroxylon gehört zur Pflanzengruppe der Lycophyten, einer Klasse, die auch lebende Vertreter wie Isoetes (Brachsenkräuter) und Selaginella (Moosfarne) umfasst. Durch die Rekonstruktion konnten die Forscher zum ersten Mal sowohl anatomische als auch entwicklungsgeschichtliche Informationen über dieses Fossil gewinnen. Dies ist von besonderer Bedeutung, da frühere Interpretationen des Aufbaus dieser fossilen Pflanze weitgehend auf dem Vergleich von Bildfragmenten mit noch vorhandenen Pflanzen basierten.

Die Rekonstruktion zeigt, dass diese Pflanzen ihre Wurzeln auf eine ganz andere Art und Weise entwickelt haben, als dies bei heutigen Pflanzen der Fall ist. Die Wurzelachsen von A. mackiei sind die frühesten bekannten Arten von Pflanzenwurzeln. „Dies sind die ältesten bekannten Strukturen, die modernen Wurzeln ähneln, und wir wissen jetzt, wie sie entstanden sind. Sie entwickelten sich, als eine sprossähnliche Achse eine Gabelung bildete, bei der eine Zinke seine Sprossidentität behielt und der zweite seine Wurzelidentität entwickelte“, sagt Liam Dolan, Gruppenleiter am Wiener GMI. Dieser Mechanismus der Verzweigung, die so genannte „dichotome Verzweigung“, ist bei lebenden Pflanzen in Geweben bekannt, die eine strukturelle Identität aufweisen. Wie Dolan jedoch betont: „Bei lebenden Pflanzen entwickeln sich Wurzeln nicht auf diese Weise, was zeigt, dass dieser Mechanismus der Wurzelbildung heute ausgestorben ist“. Die Forschungsergebnisse zeigen, wie sich ein heute ausgestorbenes Wurzelsystem während der Evolution der ersten komplexen Landpflanze entwickelt hat.

„100 Jahre nach der Entdeckung der Fossilien in Rhynie zeigt unsere Rekonstruktion, wie diese rätselhaften Pflanzen wirklich aussahen. Die Rekonstruktion zeigt auch, wie sich die Wurzeln gebildet haben“, erklärt Dolan, der als Co-Autor an der Arbeit mitgewirkt hat. “Das Verständnis der Struktur und der Entwicklung dieser Pflanzen aus dem frühen Devon gibt uns einen Einblick in die Schlüsselzeit der Erdgeschichte, kurz nachdem die Pflanzen die trockenen Oberflächen der Kontinente besiedelten und sich über das Land auszubreiten begannen.”

„Ihre Entwicklung, Ausbreitung und Verbreitung über alle Kontinente hinweg hatte dramatische Auswirkungen auf das Erdsystem. Pflanzenwurzeln verringerten den CO2-Gehalt in der Atmosphäre, stabilisierten den Boden und revolutionierten die Wasserzirkulation auf den Oberflächen der Kontinente“, erklärt Erstautor und Co-Autor Alexander (Sandy) J. Hetherington, Gruppenleiter an der Universität Edinburgh. “Die Wurzel der ökologischen Auswirkungen der Pflanzenevolution sind die Pflanzenwurzeln selbst.”

Hetherington hob hervor, dass seine Forschung durch Fossilien ermöglicht wurde, die von Generationen von Paläontologen und Paläontologinnen gesammelt wurden und in vielen verschiedenen Museen und Universitäten aufbewahrt werden. „Die Antworten auf so viele Schlüsselfragen der Evolution liegen in den Regalen dieser Institutionen“, sagt der Wissenschaftler, der jetzt an der Universität Edinburgh arbeitet. „Mit Hilfe digitaler 3D-Techniken ist es zum ersten Mal möglich, den komplexen Körperbau von A. mackiei zu visualisieren. So konnten wir entdecken, wie sich diese mysteriösen Pflanzen entwickelt haben. Es war großartig, endlich Details zu sehen, die bisher verborgen waren.“

Originalveröffentlichung:
Hetherington A. J. et al. „An evidence-based 3D reconstruction of Asteroxylon mackiei the most complex plant preserved from the Rhynie chert”. eLife 2021
DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.69447

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Das Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) wurde von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Jahr 2000 gegründet, um Spitzenforschung in der molekularen Pflanzenbiologie zu fördern. Das GMI gehört zu den weltweit wichtigsten Pflanzenforschungseinrichtungen. Mit mehr als 130 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern aus 35 Ländern erforschen die neun Forschungsgruppen des GMI Grundlagen der Pflanzenbiologie, vor allem molekulargenetische Aspekte wie epigenetische Mechanismen, Populationsgenetik, Zellbiologie, Stressresistenz und Entwicklungsbiologie. Das GMI befindet sich am Vienna BioCenter, einem der führenden Life-Science-Standorte Europas.

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Originalpublikation:

https://doi.org/10.7554/eLife.69447

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