Der Stammbaum des Lebens – wann entwickeln Pflanzen neue Arten?

19.04.2011

Wissenschaftler aus den USA und Deutschland haben den weltweit größten Stammbaum (Phylogenie) für Pflanzen rekonstruiert. Anhand dieser Rekonstruktion zeigen die Wissenschaftler von der Brown University, dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) und der Yale University, dass die Vorfahren wichtiger Pflanzenfamilien erst mit ihrem Aufbau und ihrer Leistungsfähigkeit experimentiert haben, um daraufhin schnell viele neue Arten hervorzubringen. Diese Erkenntnis widerlegt die etablierte Meinung, dass verstärkte Artbildung in unmittelbarem Zusammenhang mit der Ausbildung neuer physikalischer Eigenschaften oder Mechanismen ausgelöst wird. Die Forschungsergebnisse wurden im „American Journal of Botany” veröffentlicht.

Heidelberg/Providence/New Haven. Die Evolution birgt noch immer viele Geheimnisse. Ein internationales Forscherteam hat jetzt neue Erkenntnisse über die Artbildung (Diversifikation) bei Pflanzen gewonnen. Es geht dabei um die Frage, welche Mechanismen innerhalb wichtiger, großer Pflanzenfamilien neue Arten hervorbringen. Bisher gingen Biologen davon aus, dass verstärkte Artbildung erst dann eintritt, wenn ein Ast im Stammbaum des Lebens neue, überlegene physikalische Eigenschaften oder Verbreitungsmechanismen hervorbringt. In der unmittelbaren Folge können schnell neue Lebensräume erschlossen und Konkurrenten verdrängt werden, wodurch im weiteren Verlauf der Evolution die Entstehung einer neuen, artenreichen Pflanzenfamilie angestoßen wird. Das Forscherteam um Stephen A. Smith hat jedoch entdeckt, dass große Familien der Blütenpflanzen erst dann erfolgreich neue Arten erzeugen, wenn sie bereits einen Entwicklungsstand erreicht haben, der die Erfolgsaussichten einer schnellen und erfolgreichen Artbildung steigert. Die Forschungsergebnisse wurden im „American Journal of Botany” veröffentlicht. Die Autoren des Artikels sind Stephen A. Smith (Brown University/Heidelberger Institut für Theoretische Studien), Jeremy M. Beaulieu (Yale University), Michael J. Donoghue (Yale University) und Alexandros Stamatakis (Heidelberger Institut für Theoretische Studien).

„Evolution funktioniert anders, als wir bisher angenommen haben“, sagt Erstautor Stephen Smith, der beim Biologen Casey Dunn (Brown University) und beim Informatiker Alexandros Stamatakis (HITS) arbeitet. „Es ist nicht so, dass bei einer Blume urplötzlich der Prozess der Artbildung eintritt. Es gibt eine gewisse Verzögerung, weil noch etwas anderes passiert. Einer erfolgreichen Artbildung geht eine Phase des Experimentierens voraus.“

Ohne die Berechnung und anschließende Analyse enorm großer Stammbäume wären derartige Untersuchungen undenkbar. „Dieses Projekt ist ein gutes Beispiel dafür, wie wichtig die Informatik und entsprechende Initiativen zur elektronischen Vernetzung und Bereitstellung molekularer Daten über das World Wide Web inzwischen für die Biologie sind“, sagt Alexandros Stamatakis, Leiter der Forschungsgruppe für wissenschaftliches Rechnen am HITS.

Um dem Prozess der verzögerten Artbildung auf die Spur zu kommen, haben die Wissenschaftler mit Hochleistungsrechnern den bisher größten Stammbaum der Pflanzen berechnet: Er umfasst 55,473 Arten der Angiospermen (Blütenpflanzen) – eine Gruppe, die etwa 90 Prozent aller Pflanzenarten der Welt stellt. Die Berechnung eines Stammbaums dieser Größe stellt auch aus technischer Sicht einen Meilenstein in der Evolutionsbiologie beziehungsweise evolutionären Bioinformatik dar und eröffnet der Forschung bisher unerreichte Einsichten in den Stammbaum des Lebens. Das Forscherteam hat die molekularen Daten von sechs großen Gruppen der Angiospermen analysiert, darunter die artreichsten Familien der Süßgräser (Poaceae), Orchideengewächse (Orchidaceae), Korbblütler (Asteraceae) und Hülsenfrüchtler (Fabacae). Komplementiert wurde die Analyse durch Stammbaumberechnungen für die Großgruppen der Eudikotyledonen („Echte Zweikeimblättrige“) und Monokotyledonen („Einkeimblättrige“). Auf diese Weise konnten 99 Prozent aller Blütenpflanzen abgedeckt werden.

Extending the limits of biological explorations: the BigPlantTree (NSF iPlant Collaborative)
So sieht die Analyse großer Stammbäume aus: Ausschnitt des „BigPlantTree“ (NSF iPlant Collaborative)

Der gemeinsame Vorfahre dieser Familien sind die Mesangiospermae, ein Stamm, der vor über 125 Millionen Jahren entstanden ist. Die Forscher waren überrascht, dass bei den Mesangiospermae und den Pflanzen, die sich aus ihnen entwickelt haben, die Explosion  in der Artentwicklung nicht direkt an der Abstammungswurzel zu finden ist. Die intensive Diversifizierung trat erst einige Zeit später auf. Eine exakte Zeitangabe ist allerdings nur schwer möglich.

„Während der frühen Evolution dieser Familien“ sagt Stephen Smith, „entwickeln sich bereits ansatzweise Merkmale, die eine optische Zuordnung zu den jeweiligen Familien ermöglichen. Sie beginnen aber erst dann sich sehr schnell zu diversifizieren, wenn sich diese Merkmale stärker ausgebildet und stabilisiert haben.“

Die Autoren schreiben: „Diese Befunde befinden sich in Einklang mit der Ansicht, dass die schnelle Artenbildung von einer relativ langen „Zündschnur“ entfacht wird und dass anfängliche Innovationen ein Experimentieren ermöglichen. Letztendlich kann die Evolution einer Kombination dieser Merkmale zu einer ausgeprägten Artbildung führen“.

Veränderungen der Diversifizierungsrate liegen daher in vielen Fällen nicht direkt am Ursprung (dem gemeinsamen Vorfahren) einer Pflanzenfamilie (Orchideengewächse, Korbblütler etc.). Die Diversifizierungsrate, die Rate der Artbildung im Verlauf der Zeit, ändert sich zunächst stärker als allgemein vermutet. Die Vielfalt der Arten, zum Beispiel in Zusammenhang mit der Entstehung der großen Familien etwa der Blütenpflanzen, kann man jedoch nicht ausschließlich durch einige grundlegende Veränderungen der Diversifizierungsraten erklären: Die Vielfalt dieser Familien entsteht wahrscheinlich durch das Zusammenspiel vieler kleinerer evolutionärer „Ausbrüche“ innerhalb der jeweiligen Familie. Deren Entdeckung wäre anhand eines kleineren, weniger repräsentativen Stammbaumes nicht möglich gewesen.

Smith ist der Ansicht, dass die explosionsartige Artbildung durch interne Faktoren ausgelöst werden kann, zum Beispiel wenn eine Pflanze „lernt“, schneller zu wachsen, und dadurch Vorteile gegenüber anderen Pflanzen hat. Konkurrenzvorteile können auch durch die Ankunft bestäubender Insekten oder  durch klimatische Veränderungen entstehen. Das Team möchte diese offenen Fragen weiterverfolgen.

„Angenommen unsere Analysen sind richtig, dann deuten sie darauf hin, dass viele lokale ‚Ausbrüche‘ in der Artbildung relativ gleichmäßig über den Stammbaum verteilt sind. Dieses Phänomen könnte zum augenscheinlichen Erfolg der Blütenpflanzen beigetragen haben“, erklärt Jeremy Beaulieu (Yale University).

Es gibt noch viel zu tun: „Die Möglichkeit, allumfassende Stammbäume dieser Größenordnung zu berechnen und zu analysieren, ermöglicht die Beantwortung neuer Fragestellungen. Unsere Analysen zeigen aber auch, dass neue statistische und computerbasierte Methoden dringend benötigt werden. Die Forschung steckt in diesem Bereich noch in den Kinderschuhen“, resümiert Michael Donoghue, Professor an der Yale University.

Finanziert wurde die Forschung von der U.S. National Science Foundation (NSF iPlant Collaborative) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die Berechnungen des Pflanzenstammbaums wurden am High Performance Computing Center der Yale University und am Texas Advanced Computing Center durchgeführt.

Der berechnete Stammbaum ist öffentlich zugänglich und kann unter http://portnoy.iplantcollaborative.org/ online betrachtet werden („BigPlantTree“ im Menü auswählen). Besonderer Dank für die Bereitstellung des Visualisierungstools gilt der NSF iPlant Collaborative und Karen Cranston am National Evolutionary Synthesis Center.

Der wissenschaftliche Artikel im Original:
S. A. Smith, J. M. Beaulieu, A. Stamatakis, M. J. Donoghue. Understanding angiosperm diversification using small and large phylogenetic trees. American Journal of Botany, 2011; 98 (3): 404 DOI: 10.3732/ajb.1000481

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