In einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel enthüllen Wissenschaftler die abenteuerliche Evolutionsgeschichte des Gens NAS, das mehrfach horizontal innerhalb des Stammbaums des Lebens übertragen wurde.
Die kleine Geschichte eines großen Übergangs
Vor etwa 500 Millionen Jahren begann eine Linie von Wasserpflanzen eines der Hauptereignisse der Evolution: die Besiedlung des Festlands. Dieser entscheidende Übergang geschah in Zusammenarbeit mit Mikroorganismen, dank:
- der Mykorrhizen, symbiotischen Verbindungen, die die Nährstoffaufnahme erleichtern,
- und des horizontalen Gentransfers (HGT), bei dem Gene von Mikroorganismen auf den Vorfahren der Pflanzen übertragen wurden und dabei neue, entscheidende adaptive Funktionen brachten.
Aus dieser Linie gingen zwei große Gruppen hervor:
- die Moose (Bryophyten: Laub-, Leber- und Hornmoose),
- und die Gefäßpflanzen (Bärlappgewächse, Farne, Nadelbäume, Blütenpflanzen).
Oft werden Moose aufgrund ihrer einfachen Morphologie als "primitiv" überlebende Pflanzen beschrieben und galten als arm an genetischen Innovationen. Neue genomische Daten stellen diese Sichtweise nun in Frage.
Die Studie von Dong et al., veröffentlicht in Nature Genetics, lieferte eine umfangreiche Ressource: die Sequenzierung von etwa hundert Moosarten, die einen Großteil ihrer evolutionären Vielfalt abdecken.
Diese Ressource zeigt, dass Moose:
- über einen extrem umfangreichen genetischen Werkzeugkasten verfügen,
- mehr Genfamilien aufweisen als Gefäßpflanzen,
- und im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte zahlreiche genetische Errungenschaften bezeugen.
Hinter ihrer scheinbaren Einfachheit verbirgt sich also eine bemerkenswerte genomische Vielfalt, die auf eine intensive evolutionäre Dynamik hinweist.
NAS, ein wanderndes Gen!
In einem in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikel untersuchten Wissenschaftler das Gen, das das Enzym NAS kodiert. Es katalysiert die Synthese von Nicotianamin, einem Tripeptid, das Metalle wie Eisen, Kupfer, Zink oder Mangan bindet und ihren Transport erleichtert.
Nicotianamin kommt bei Tieren nicht vor, mit Ausnahme eines Insekts. Man findet es bei Gefäßpflanzen, wo es hauptsächlich am Langstreckentransport von Metallen über die Leitgefäße beteiligt ist, sowie unerwarteterweise bei dem nicht-vaskulären Modellmoos Physcomitrium patens oder bei bestimmten Mikroorganismen.
Diese fragmentierte Verteilung veranlasste die Wissenschaftler, die Geschichte des NAS-Gens innerhalb des Stammbaums des Lebens zu rekonstruieren.
Das Urteil ist eindeutig: Die Evolution des NAS-Gens entspricht nicht der Evolutionsgeschichte des Lebens. Warum? Weil in verschiedenen Perioden mehrere horizontale Gentransfers von unterschiedlichen mikrobiellen Spendern aus stattgefunden haben.
Ein besonders auffälliges Beispiel: Das NAS-Gen des "urtümlichen" Mooses Physcomitrium ist nicht der Vorfahre der NAS-Gene "moderner" Gefäßpflanzen, es ist sogar etwa 150 Millionen Jahre jünger!
Die Bedeutung der Analysetiefe für eine neue Sicht auf die Evolution der Landpflanzen
Dank der durch die neuen Genome ihrer Kooperationspartner ermöglichten Analysetiefe konnten die Wissenschaftler zeigen, dass:
- Moose die NAS von vier verschiedenen mikrobiellen Spendern erworben haben.
- Ein durch HGT erworbenes Gen hunderte Millionen Jahre später durch einen zweiten HGT ersetzt werden kann – ein Phänomen, das bisher noch nie nachgewiesen wurde.
- Ein NAS-Gen sogar von einer Samenpflanze auf einen Pilz sowie auf ein Insekt, die Weiße Fliege, übertragen wurde.
Diese Arbeit enthüllt ein evolutionäres Szenario, in dem:
- horizontale Gentransfers eine viel zentralere Rolle spielen als bisher angenommen,
- diese Transfers wahrscheinlich viel häufiger vorkommen als bisher geschätzt,
- und sie nicht nur dazu dienen, neue Funktionen einzuführen, sondern auch ein bestehendes Gen zu ersetzen.
Zusammenfassung der horizontalen Transfers (HGT) des NAS-Gens durch den Stammbaum des Lebens. Von der Mitte nach außen: Bakterien/Pilze/Landpflanzen (Embryophyten)/Tiere (Metazoa).
Jeder horizontale Pfeil zeigt einen unabhängigen HGT von NAS. Jede NAS wird durch ein präfigiertes Kürzel der Empfängergruppe unterschieden. Beispielsweise zeigt 1 /FunNAS einen Transfer von NAS von einem Pilz auf den Vorfahren einer Gruppe, die die Funariales-Moose umfasst. Im Laufe der Evolution der Moose wurde eine erste NAS (FunNAS; 1) durch eine andere (HypNAS; 2) durch zwei aufeinanderfolgende HGTs ersetzt. Es ist zu beachten, dass Bemisia derzeit der einzige Vertreter der Tiere ist, der eine NAS besitzt. Die Nummerierung gibt nicht die chronologische Reihenfolge der Transfers an.
© B. Goffinet