Neuer Stammbaum für Tomaten und Kartoffeln zeigt, dass sich Farbe und Größe der Früchte gemeinsam entwickelt haben
Studie klärt, wie sich verschiedene Früchte aus einer Gruppe der Nachtschattengewächse entwickelt haben könnten
Die Früchte der Nachtschattengewächse (Solanum) sind unglaublich vielfältig und reichen von großen roten Tomaten und violetten Auberginen bis zu den giftigen grünen Beeren der Kartoffelpflanzen. Ein neuer und verbesserter Stammbaum dieser Gruppe, der von einem internationalen Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University erstellt wurde, hilft bei der Erklärung der auffallenden Vielfalt von Fruchtfarben und -größen und der Frage, wie sie sich entwickelt haben könnten.
Die Früchte der Pflanzen der Gattung Solanum sind in Farbe und Größe unglaublich vielfältig. Ein neuer Stammbaum dieser Gattung, der von einem Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University erstellt wurde, hilft bei der Erklärung dieser auffallenden Vielfalt und der Frage, wie sich die Früchte entwickelt haben könnten.
João Vitor Messeder / Penn State
Das Team fand heraus, dass sich Größe und Farbe der Früchte gemeinsam entwickelt haben und dass fruchtfressende Tiere nicht, wie bisher angenommen, die Haupttriebkraft für die Evolution der Früchte waren. Die Studie, die in der Fachzeitschrift New Phytologist veröffentlicht wurde, könnte auch Aufschluss über die Züchtung landwirtschaftlich wichtiger Pflanzen mit wünschenswerteren Merkmalen geben, so die Forscher.
"Es gibt etwa 1.300 Arten in der Gattung Solanum, was sie zu einer der vielfältigsten Pflanzengattungen der Welt macht", sagte João Vitor Messeder, Doktorand in Ökologie und Biologie am Penn State Eberly College of Science und den Huck Institutes for the Life Sciences und Hauptautor der Studie. "Seit den 1970er und 80er Jahren vermuten Forscher, dass Vögel, Fledermäuse und andere Früchte fressende Tiere die Evolution von Früchten wie denen der Solanum vorangetrieben haben. Die Bedeutung der Evolutionsgeschichte der Pflanzen wurde jedoch unterschätzt oder bei der Bewertung der Diversifizierung der fleischigen Früchte kaum berücksichtigt. Um diese Hypothese besser überprüfen zu können, mussten wir zunächst eine robustere Phylogenie oder einen Stammbaum dieser Pflanzengruppe erstellen, um unser Verständnis der Beziehungen zwischen den Arten zu verbessern.
Die Pflanzen der Gattung Solanum produzieren Früchte mit einer großen Vielfalt an Größen, Farben und Nährwerten. Sie können schwarz, violett, rot, grün, gelb oder orange sein und eine Größe von weniger als einem Viertelzoll bis zu 0,5 bis 20 Zentimetern erreichen. Einige Pflanzen dieser Gruppe sind nicht nur für die Landwirtschaft von Bedeutung, sondern werden auch wegen ihrer Zierblumen kultiviert, und die Früchte vieler dieser Pflanzen werden von Menschen und einer Vielzahl von Tieren, einschließlich Vögeln, Fledermäusen, Reptilien, Primaten und anderen Landsäugetieren, gefressen.
Die Forscher sammelten Proben von Pflanzen aus der ganzen Welt, darunter Wildpflanzen aus Brasilien, Peru und Puerto Rico sowie Pflanzen aus botanischen Gärten, und sequenzierten ihre RNA-Gene. Sie ergänzten sie mit zuvor gesammelten Proben und öffentlich zugänglichen Daten und verglichen schließlich die Sequenzen von 1 786 Genen von insgesamt 247 Arten, um den Solanum-Stammbaum zu rekonstruieren. Darunter befanden sich Vertreter aus allen 10 Hauptkladen - den Zweigen des Stammbaums - und 39 von 47 Nebenkladen innerhalb der Gattung.
"Durch die Verwendung von Tausenden von Genen, die von Arten geteilt werden, die tatsächlich die gesamte Gattung repräsentieren, konnten wir den Solanum-Stammbaum erheblich verbessern und ihn zum bisher umfassendsten machen", sagte Messeder, der die Forschung im Labor von Hong Ma, Huck Chair in Plant Reproductive Development and Evolution und Professor für Biologie an der Penn State University und Mitautor der Studie, durchführte. "Jüngste technologische Fortschritte haben es uns ermöglicht, mehr Gene zu verwenden als in früheren Studien, die bei der Klärung von Beziehungen zwischen Arten und Kladen vor vielen Herausforderungen standen. Dieser verbesserte Baum hilft uns zu verstehen, wann die verschiedenen Fruchtfarben und -größen entstanden sind und wie sie sich im Zuge der Entstehung neuer Pflanzenarten verändert haben."
Die Forscher fügten eine beträchtliche Auflösung der kleineren Zweige in der Gruppe hinzu, die Kartoffeln und Tomaten sowie ihre nahen und entfernteren verwandten Wildarten umfasst. Die gewonnenen Erkenntnisse, so die Forscher, könnten Programme zur Verbesserung dieser und anderer Pflanzenarten der Gattung unterstützen.
"Wenn die engsten wilden Verwandten wichtiger landwirtschaftlicher Nutzpflanzen wünschenswerte Eigenschaften haben, ist es möglich, Nutzpflanzen mit diesen Arten zu züchten oder ihre Gene zu übernehmen, um beispielsweise die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturen oder Schädlingen zu verbessern oder größere Früchte oder Früchte einer bestimmten Farbe zu erzeugen", so Messeder.
Die Forscher fanden heraus, dass Farbe und Größe von Solanum-Früchten im Laufe der Evolutionsgeschichte ziemlich konserviert wurden, was bedeutet, dass eng verwandte Arten dazu neigen, ähnliche Früchte zu haben. Die Entwicklung von Fruchtfarbe und -größe ist außerdem korreliert, wobei Veränderungen des einen Merkmals oft mit Veränderungen des anderen einhergehen, so dass Früchte bestimmter Farben größer sind als Früchte anderer Farben.
"Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass physiologische und molekulare Mechanismen eine Rolle dabei spielen, dass die Evolution von Fruchtfarbe und -größe miteinander verbunden ist", so Messeder. "Während Frugivoren - oder Tiere, die sich hauptsächlich von Früchten ernähren - und Samenverbreiter die Diversifizierung beeinflussen können, müssen wir alle Möglichkeiten in Betracht ziehen, wenn wir untersuchen, wie Früchte so vielfältig geworden sind."
Die Forscher klärten auch den Zeitplan für den Ursprung und die Diversifizierung dieser Gattung, zum Teil durch die Einbeziehung neuer Informationen aus dem ältesten Fossil der Nachtschattengewächse - aus einer anderen Gattung der Nachtschattengewächse, deren Fossil auf vor etwa 52 Millionen Jahren datiert wurde - und aus bestimmten Genen, die die Schätzungen der Länge der evolutionären Zweige verbesserten. Die Forscher datierten den Ursprung von Solanum auf etwa 53,1 Millionen Jahre - ganze 30 Millionen Jahre früher als frühere Schätzungen, die auf Genen aus anderen Teilen der Pflanzenzelle basierten. Damit ergibt sich ein neues Bild von der Umwelt, die die Diversifizierung dieser Pflanzen in neue Gruppen und Arten beeinflusst haben könnte.
"Die Umwelt der Erde hat sich in den 30 Millionen Jahren dramatisch verändert, was Temperatur, Kohlendioxid in der Atmosphäre, Geographie und Tiervielfalt angeht", so Messeder. "Jetzt, da wir wissen, wann Solanum und seine Untergruppen entstanden sind, können wir über die Bedingungen nachdenken, die die Diversifizierung dieser Gruppe gefördert haben könnten, und auch darüber, welche Rolle andere Organismen dabei gespielt haben könnten.
Das Team fand heraus, dass die frühesten Mitglieder von Solanum mittelgroße Beeren hatten, die bei der Reife grün blieben, und dass die grünen und gelben Früchte dieser Gruppe vor etwa 14 Millionen Jahren vielfältiger wurden. Die Forscher spekulierten, dass Fledermäuse bei dieser Diversifizierung eine Rolle gespielt haben könnten, da sie einen ähnlichen evolutionären Zeitplan haben und die Hauptverbreiter der modernen grünen und gelben Solanum-Früchte sind. Als in dieser Zeit neue Fledermausarten auftauchten und sich dort ausbreiteten, wo sie lebten, fraßen sie Solanum-Früchte und trugen deren Samen in neue Umgebungen.
Als Nächstes wollen die Forscher untersuchen, wie moderne Interaktionen zwischen Tieren und den Früchten, die sie fressen, Licht auf die Evolution beider Gruppen werfen können, und die Evolution bestimmter Gene untersuchen, die für die Farbe und Größe der Früchte relevant sind.
Neben Messeder und Ma gehören dem Forschungsteam Tomás Carlo, Professor für Biologie an der Penn State, Guojin Zhang, Postdoktorand an der Penn State zum Zeitpunkt der Forschung, Juan David Tovar am Nationalen Institut für Amazonasforschung in Brasilien, César Arana an der Nationalen Universität von San Marcos in Peru sowie Jie Huang und Chien-Hsun Huang an der Fudan-Universität in China an.
Diese Forschungsarbeiten wurden von der Fulbright-Kommission, der CAPES-Stiftung in Brasilien, dem Penn State Department of Biology, dem Hill Memorial Fund des Pen State Eberly College of Science, der Association for Tropical Biology and Conservation, der U.S. National Science Foundation, der International Association for Plant Taxonomy und der Society of Herbarium Curators unterstützt.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
João Vitor S. Messeder, Tomás A. Carlo, Guojin Zhang, Juan David Tovar, César Arana, Jie Huang, Chien‐Hsun Huang, Hong Ma; "A highly resolved nuclear phylogeny uncovers strong phylogenetic conservatism and correlated evolution of fruit color and size in Solanum L."; New Phytologist, Volume 243, 2024-5-27
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