Um 1800 machte Alexander von Humboldt eine ungewöhnliche Beobachtung. Er tauchte das Blatt eines tropischen Baumes ins Wasser und stellte fest, dass trotz Sonneneinstrahlung keine Sauerstoffblasen – wie bis dahin bekannt – entstanden. Diese Pflanze hält Blattöffnungen, die eigentlich der Aufnahme von CO2 und der Abgabe von Sauerstoff am Tage dienen, tagsüber geschlossen und vermeidet so Wasserverlust durch Verdunstung. CO2 wird dann nachts aufgenommen und chemisch gebunden und gespeichert in Form der Apfelsäure . Dieses Prinzip wird als “CAM-Photosynthese” (Crassulacean Acid Metabolism) bezeichnet. Wie sich diese Strategie bei der Gattung Clusia evolutionär differenziert hat und warum sie in unterschiedlichen Ausprägungen vorkommt, war bislang nur unzureichend verstanden.
Über die Studie
Im Rahmen der Studie wurde das Erbgut von drei Clusia-Arten analysiert, die unterschiedliche CAM-Ausprägungen repräsentieren: Clusia rosea, Clusia minor und Clusia major. Dabei kombinierte das Forschungsteam molekulare Daten mit physiologischen Messungen unter realitätsnahen Umweltbedingungen.
Vom Erbgut zur Photosynthese
Die Gattung Clusia umfasst die einzigen bekannten Bäume, die CAM betreiben und zeigt eine außergewöhnliche Bandbreite an Photosynthese – von klassischer C₃-Photosynthese, bei der Pflanzen tagsüber Kohlendioxid aufnehmen, bis zu stark ausgeprägtem CAM. Diese Vielfalt macht sie zu einem idealen Forschungsmodell für evolutionäre Übergänge zwischen verschiedenen Photosyntheseformen. Die Analysen zeigten, dass alle drei Clusia-Arten uralte Polyploide sind – ihre Genome wurden im Laufe der Evolution vervielfacht (Polyploidisierung) und anschließend über lange Zeiträume hinweg umgebaut (Diploidisierung). „Dabei gehen Genkopien verloren, werden deaktiviert oder übernehmen neue Funktionen“, erklärt Erstautor Hannes Kramml von der Abteilung Molekulare Systembiologie, Department für funktionelle und evolutionäre Ökologie, an der Universität Wien. Johannes Herpell, weiterer Erstauthor der Studie, fügt hinzu: „Besonders betroffen sind Gene, die für die nächtliche CO₂-Speicherung im CAM-Stoffwechsel entscheidend sind.“ Studienleiter Wolfram Weckwerth erklärt: „Die Genome haben sich nicht einfach nur vervielfacht; sie wurden über Millionen von Jahren reorganisiert, reduziert und funktionell neu verdrahtet. Diese enorme Plastizität erklärt die physiologische Vielfalt des CAM in der Gattung Clusia.“
AM unter realistischen Umweltbedingungen
Um die Auswirkungen dieser genetischen Unterschiede zu untersuchen, analysierte das Team die Pflanzen im Tagesverlauf unter naturnahen Gewächshausbedingungen mit variierender Wasserverfügbarkeit. Dabei kombinierten sie physiologische Messungen mit Analysen von Genaktivität, Proteinen und Stoffwechselprodukten. Clusia rosea betreibt starkes CAM mit ausgeprägter nächtlicher Speicherung von Kohlendioxid in Form von Apfelsäure. Clusia minor aktiviert CAM vor allem unter Stressbedingungen, während Clusia major eine Mischform aus C₃-Photosynthese und CAM zeigt. Diese Unterschiede zeigen sich konsistent in Genaktivität und Stoffwechselprofilen und lassen sich mit den nun identifizierten genetischen Veränderungen in Verbindung bringen. CAM erscheint hier nicht als einmaliges evolutionäres Ereignis, sondern als Ergebnis wiederholter genomischer Umgestaltung, die es den Arten ermöglichte, sich an sehr unterschiedliche ökologische Nischen anzupassen.
Bedeutung für Landwirtschaft und Klimaresilienz
CAM-Pflanzen benötigen deutlich weniger Wasser und gelten daher als mögliche Vorbilder für klimaresistente Nutzpflanzen. Die neuen Genomdaten ermöglichen es, Stoffwechselprozesse zu identifizieren, die mit effizienter CO₂-Speicherung und hoher Wassernutzungseffizienz verbunden sind. Langfristig könnten diese Erkenntnisse dazu beitragen, Nutzpflanzen gezielter an trockene Umweltbedingungen anzupassen.
Zusammenfassung:
- Pflanzen können neben der klassischen Photosynthese auch eine wassersparende Variante nutzen, bei der CO₂ überwiegend nachts aufgenommen wird (CAM)
- Die tropische Baumgattung Clusia zeigt eine außergewöhnliche Vielfalt solcher Photosyntheseformen und ist die bisher einzig bekannte baumartige Gattung mit CAM
- Genomvervielfachung und nachfolgende genetische Umstrukturierungen stehen mit dieser Vielfalt in Zusammenhang
- Besonders betroffen sind Gene des Stärkeabbaus und der Energiebereitstellung
- Die Ergebnisse liefern Ansatzpunkte, um wassereffiziente Stoffwechselprozesse besser zu verstehen und für klimaangepasste Pflanzen zu nutzen
