26. August 2015 · DBG · Pressemitteilung

Ausgezeichnet: Fleischfressende Modellpflanze für Evolutionsstudien zur Genomgröße

Weil er Pflanzen der Gattung Genlisea (Reusenfallen) so gründlich untersuchte, dass diese sich zu neuen Modellorganismen für Genomstudien mausern können, erhält Dr. Andreas Fleischmann den diesjährigen Strasburger-Preis der Deutschen Botanischen Gesellschaft (DBG). Diese fleischfressenden Pflanzen eignen sich besonders dafür zu erforschen, wie und warum es einige Organismen schaffen, ihren gesamten Bauplan und ihre gesamte Erbinformation auf sehr wenig „Speicherplatz“ unterzubringen, während andere − oft sogar nahe verwandte Arten − dafür ein Vielfaches mehr benötigen. Diese Frage beschäftigt Evolutionsbiologen schon lange. Fleischmann erhält den mit 2.500 Euro dotierten, von Springer Spektrum gestifteten Strasburger-Preis, am Montag, den 31. August 2015 während der diesjährigen Botanikertagung in Freising aus den Händen des Präsidenten der DBG, Prof. Dr. Karl-Josef Dietz.

Im Zuge seiner Untersuchungen entdeckte er auch den Rekord für das kleinste bekannte Genom aller Blütenpflanzen: die „knollige Reusenpflanze“ Genlisea tuberosa. Fleischmann, der inzwischen an der Botanischen Staatssammlung in München forscht, legte die dafür notwendige Grundlage, indem er nicht nur eine umfassende Monographie zu den Reusenpflanzen verfasste, sondern auch erste stammesgeschichtliche Ergebnisse für die Beantwortung der Frage zur Genom-Reduktion bot.

Während seiner Dissertation untersuchte Fleischmann, die bis dato kaum erforschten Reusenpflanzen, die vor allem im tropischen Afrika und in Südamerika wachsen und von den heißen, nährstoffarmen Feuchtsavannen des Tieflandes bis zu den isolierten Tafelbergen Venezuelas vorkommen. Sie fangen und verdauen mit ihren zu Reusen umgestalteten, unterirdischen Blättern Kleinstlebewesen, wie Fadenwürmer, Kleinkrebse, Milben oder winzige Insekten. Mit nach innen gerichteten Haaren versperren sie in ihre schlauchförmigen Wurzelblätter hineingekrochenen Tieren den Rückweg, sodass diese immer tiefer in die Pflanze gelangen und schließlich in einer mit Drüsen versehenen Kammer landen, wo sie verdaut werden. Die Reusenpflanzen nutzen die daraus gewonnenen Nährstoffe zur Nahrungsergänzung. Dass es sich bei den Reusen tatsächlich um echte Blätter und keine umgestalteten Wurzeln handelt, hatten Morphologen bereits vor mehr als 100 Jahren belegt: Sie fanden Spaltöffnungen, die nur in Blättern, nicht aber in Wurzeln vorkommen und dem Gasaustausch dienen. Genlisea-Arten sind dagegen völlig wurzellos. Auch in anderer Hinsicht scheinen Reusenpflanzen einzigartig zu sein, denn genetische Stammbaumanalysen von Fleischmann zeigten, dass sie die wohl einzige Pflanzengruppe sind, die aus Südamerika kommend auch Afrika besiedelte und bei der eine Entwicklungslinie von Arten anschließend ein zweites Mal den Weg über den Atlantik machte und sich erfolgreich im tropischen Amerika wieder ansiedelte.

Zwar sind diese fleischfressenden Pflanzen schon seit mehr als 200 Jahren bekannt, Fleischmann hat aber als erster deren Verwandtschaftsbeziehungen mittels phylogenetischer, auf DNA-Sequenzen basierender Stammbaumrekonstruktion analysiert. Er publizierte die Ergebnisse in einer umfassenden Monographie, die auch die Ökologie und Biologie der Arten umfasst und diese mit zahlreichen Detailaufnahmen illustriert. Während dieser Arbeit entdeckte und beschrieb er mit brasilianischen Kollegen fünf neue Arten: Neben der erwähnten Rekordhalterin Genlisea tuberosa die Arten G. metallica, deren Blüten metallisch glänzen, G. exhibitionista, deren Staubblätter und der Griffel unbedeckt sind, G. flexuosa, mit einem biegsamen Blütenstiel, sowie, G. oligophylla, die nur wenige  Blätter hat.

Zudem untersuchte Fleischmann das Erbgut von der Hälfte aller bekannten Reusenpflanzen. Die Chromosomenzahl zahlreicher Arten zu ermitteln entpuppte sich jedoch als Herausforderung. Denn Genlisea hat die kleinsten momentan im Pflanzenreich bekannten Chromosomen. Sie lassen sich mit einem Lichtmikroskop kaum erfassen, weil sie mit nur zwei Mikrometern Länge an dessen Auflösungsgrenze stoßen. Fleischmann musste daher viele Monate darauf verwenden, die Chromosomen-Zählmethode zu optimieren.

Bis dato war das Genom einiger Pflanzen – etwa von Nadelbäumen oder einigen Liliengewächsen (mit ca. 20 bis 150 Milliarden Basenpaaren) – vor allem deshalb aufgefallen, weil es sehr viel größer als das des Menschen (etwa 3,27 Milliarden Basenpaare) ist. Bei Reusenpflanzen zeigte Fleischmanns vergleichende Untersuchung jedoch, dass die Summe ihrer Erbinformationen im Laufe der Evolution immer kleiner wurde. Gleichzeitig wurden die Chromosomen immer mehr und immer kleiner. Je stammesgeschichtlich jünger einzelne Reusenpflanzen also sind, umso weniger Speicherplatz benötigen sie, wobei sie die gesamten Erbinformationen auf immer kleineren und immer mehr Bausteinen speichern. Reusenpflanzen unterscheiden sich damit auch von anderen fleischfressenden Pflanzen, die relativ große Genome haben, wie etwa Arten des weltweit vorkommenden, ebenfalls wurzellosen und mit Genlisea verwandten Wasserschlauchs (Utricularia) und des Fettkrauts (Pinguicula). Die erst im Jahr 2011 von Fleischmann beschriebene Reusenpflanze Genlisea tuberosa besitzt mit 61 Millionen Basenpaaren dagegen das kleinste Genom aller Blütenpflanzen. Dieser Fleischfresser avancierte nun gemeinsam mit verwandten Reusenpflanzen zum Modellorganismus, an dem der Mechanismus verkleinerter Genome studiert werden kann – vor allem auch wegen der vielen Vergleichsdaten, die Fleischmann im Vorfeld niedergelegt hatte.

„Es wird also spannend, dieses einzigartige Genom und das der verwandten Reusenpflanzen weiter zu erforschen“, sagt Professor Dietz, der Präsident der DBG, und freut sich bereits auf Fleischmanns Vortrag anlässlich der Preisverleihung mit dem Titel „Genlisea - small plants with huge appetite but a small genome" (Reusenpflanzen, kleine Pflanzen mit riesigem Appetit und winzigem Genom) am 31. August 2015 in Freising.

Titel der ausgezeichneten Arbeiten

Fleischmann AS, Todd PM, Rivadavia F, Sousa A, Wang W, Temsch EM, Greilhuber J, Müller KF, Heubl G (2014): Evolution of genome size and chromosome number in the carnivorous plant genus Genlisea (Lentibulariaceae), with a new estimate of the minimum genome size in angiosperms. Ann Bot. 114(8): 1651-1663. doi: 10.1093/aob/mcu189

und

Rivadavia F, Gonella PM, Fleischmann AS (2013): A New and Tuberous Species of Genlisea (Lentibulariaceae) from the Campos Rupestres of Brazil. Systematic Botany 38(2): 464-470. doi: 10.1600/036364413X666679

sowie

Fleischmann AS (2012): A Monograph of the Genus Genlisea. Redfern Natural History Productions Ltd.

Bilder

Andreas Fleischmann fotografiert einen fleischfressenden Sonnentau in einem Sumpfgebiet Westaustraliens. Foto: Thomas Carow
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Eine reusenartige Röhre der „Blattwurzeln“ führt die Beute zur Verdauungskammer (Mitte) einer Genlisea hispidula („behaarte Reusenpflanze“). Aus der Kammer wurde die Beute herauspräpariert, die in diesem Fall aus Kleinkrebsen, Milben und Fadenwürmern besteht. Foto aus „Monograph of the genus Genlisea“, Fleischmann 2012, mit freundlicher Genehmigung des Redfern Verlages.
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Blüten von Genlisea filiformis, deutsch „fadenförmige Reusenpflanze“, was auf deren filigranes Erscheinungsbild hinweist: Foto: Andreas Fleischmann
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Alle Reusenpflanzen, wie diese Genlisea flexuosa, haben zwei verschiedene Arten von Blättern: „normale“ grüne Laubblätter für die Photosynthese sowie unterirdische, bleiche, spiralig gedrehte Fallenblätter. Diese „Wurzelblätter“ sind Wurzel und Fangapparat in einem: sie verankern die Pflanze im Boden und fangen mit ihren Reusen kleine Lebewesen. Foto Andreas Fleischmann.
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Einige Genlisea-Arten haben unterschiedlich geformte Fallentypen an ein und derselben Pflanze: diese sind unterschiedlich lang und breit und lassen eine Spezialisierung auf unterschiedliche Beute vermuten. Foto aus „Monograph of the genus Genlisea“, Fleischmann 2012, mit freundlicher Genehmigung des Redfern Verlages.
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Elektronenmikroskopische Aufnahmen geöffneter Fallen dreier verschiedener Genlisea-Arten. Die nach hinten gerichteten Haarkränze dirigieren die Beute wie in einer Reuse in das Innere des schlauchförmigen Fangapparates. Die Beutetiere wandern damit direkt in einen runden, verdickten Teil der Falle, dessen Drüsen Verdauungssekrete absondern. Die Pflanze kann so die zersetze Beute als Nährstoffcocktail aufnehmen. Bilder aus „Monograph of the genus Genlisea“, Fleischmann 2012, mit freundlicher Genehmigung des Redfern Verlages.
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Nutzungsrechte

Die Bilder sind nur freigegeben zur Verwendung in Zusammenhang mit der redaktionellen Berichterstattung über das Thema „Eduard Strasburger-Preis der DBG 2015“ unter Nennung des Urhebers. Für andere Nutzungsformen kontaktieren Sie bitte die Urheber.

Ansprechpartner für die Medien

Dr. Andreas Fleischmann
Botanische Staatssammlung München
Menzinger Straße 67, D-80638 München
Telefon: +49-(0)89-17861-240
E-Mail: fleischmann[at]lrz.uni-muenchen.de  und fleischmann[at]bsm.mwn.de
Internet: www.botanischestaatssammlung.de/index.html?/staff/fleischmann.html

Prof. Dr. Karl-Josef Dietz
Lehrstuhl Biochemie und Physiologie der Pflanzen
Fakultät für Biologie
Universität Bielefeld
Postfach 100131
33501 Bielefeld
Tel.: +49-521-106 5589
E-Mail: karl-josef.dietz[at]uni-bielefeld.de
http://web.biologie.uni-bielefeld.de/pflanzenbiochemie/

Hintergrund

Seit 1994 verleiht die Deutsche Botanische Gesellschaft e.V. (DBG) den Strasburger-Preis für hervorragende und originelle Leistungen. Das Preisgeld wird alle zwei Jahre von Springer Spektrum (www.springer-spektrum.de) bereitgestellt. Die Stiftung wurde aus Anlass der 100jährigen Wiederkehr des Erscheinens der ersten Auflage des "Lehrbuchs der Botanik für Hochschulen" von Eduard Strasburger, Fritz Noll, Heinrich Schenck und A. F. Wilhelm Schimper aus dem Jahr 1894 eingerichtet. Die Wahl des Preisträgers erfolgt durch eine Jury, die aus den Autoren der nächsten Auflage des „Strasburger Lehrbuch der Botanik", dem Präsidenten der DBG und dem Biologieplaner von Springer Spektrum besteht. Die DBG vertritt die Pflanzenwissenschaften im deutschsprachigen Raum und fördert die wissenschaftliche Botanik auf nationaler und internationaler Ebene. Sie dient ausschließlich gemeinnützigen Zwecken. Die Hauptaufgaben sind die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses und des Gedankenaustausches ihrer Mitglieder auf Meetings und Kongressen sowie die Veröffentlichung der Zeitschrift Plant Biology. Im Internet publiziert die DBG jüngste Trends aus der Botanik und über die Arbeitswelt der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Damit fördert die Gesellschaft, die zu den ältesten botanischen Gesellschaften zählt, auch die interdisziplinäre Arbeit ihrer etwa 850 Mitglieder. www.deutsche-botanische-gesellschaft.de


Andreas Fleischmann fotografiert einen fleischfressenden Sonnentau in einem Sumpfgebiet Westaustraliens. Foto: Thomas Carow
Eine reusenartige Röhre der „Blattwurzeln“ führt die Beute zur Verdauungskammer (Mitte) einer Genlisea hispidula („behaarte Reusenpflanze“). Aus der Kammer wurde die Beute herauspräpariert, die in diesem Fall aus Kleinkrebsen, Milben und Fadenwürmern besteht. Foto aus „Monograph of the genus Genlisea“, Fleischmann 2012, mit freundlicher Genehmigung des Redfern Verlages.
Blüten von Genlisea filiformis, deutsch „fadenförmige Reusenpflanze“, was auf deren filigranes Erscheinungsbild hinweist: Foto: Andreas Fleischmann
Alle Reusenpflanzen, wie diese Genlisea flexuosa, haben zwei verschiedene Arten von Blättern: „normale“ grüne Laubblätter für die Photosynthese sowie unterirdische, bleiche, spiralig gedrehte Fallenblätter. Diese „Wurzelblätter“ sind Wurzel und Fangapparat in einem: sie verankern die Pflanze im Boden und fangen mit ihren Reusen kleine Lebewesen. Foto Andreas Fleischmann.
Einige Genlisea-Arten haben unterschiedlich geformte Fallentypen an ein und derselben Pflanze: diese sind unterschiedlich lang und breit und lassen eine Spezialisierung auf unterschiedliche Beute vermuten. Foto aus „Monograph of the genus Genlisea“, Fleischmann 2012, mit freundlicher Genehmigung des Redfern Verlages
Elektronenmikroskopische Aufnahmen geöffneter Fallen dreier verschiedener Genlisea-Arten. Die nach hinten gerichteten Haarkränze dirigieren die Beute wie in einer Reuse in das Innere des schlauchförmigen Fangapparates. Die Beutetiere wandern damit direkt in einen runden, verdickten Teil der Falle, dessen Drüsen Verdauungssekrete absondern. Die Pflanze kann so die zersetze Beute als Nährstoffcocktail aufnehmen. Bilder aus „Monograph of the genus Genlisea“, Fleischmann 2012, mit freundlicher Genehmigung des Redfern Verlages.