Die Gattung Flaveria – unser Modell um die Evolution der C4 Photosynthese zu untersuchen

Die Gattung Flaveria gehört zu der Familie der Asteraceaen, gemeinhin bekannt als Korbblütler. Der englische Trivialname der Flaverien ist „yellowtops“, ein deutscher existiert nicht, da die Gattung weder in Deutschland noch in anderen Teilen Europas heimisch ist. „Yellowtop“, frei als „Gelbköpfchen“ übersetzt, bezieht sich auf die kleinen, gelben Blüten, die in der Gattung zu finden sind (siehe hierzu Abbildung A). Die verschiedenen Flaveria Arten kommen in der Natur in Nord- und Südamerika, Afrika, Asien und Australien vor.

Was macht diese Gattung nun so besonders, welchen speziellen Nutzen besitzt sie für unsere Untersuchungen?

C4 Photosynthese ist eine besonders effektive Spezialform der Photosynthese. C4 Photosynthese ist im Pflanzenreich mindestens 66 Mal unabhängig voneinander entstanden (Sage et al., 2012). Man kann daher davon ausgehen, dass die Evolution der C4 Photosynthese aus dem Vorläufer, der C3 Photosynthese, aus biologischer Sicht, relativ einfach vollzogen werden konnte. Genau diese Entwicklung kann anhand der Gattung Flaveria sehr gut nachvollzogen werden. Die Besonderheit der Gattung ist es nämlich, dass sie nicht nur nahe verwandte C3 und C4 Spezies beinhaltet, sondern auch noch eine Reihe von intermediären Arten. Diese Intermediären zeigen Photosynthesestufen, die als Zwischenschritte zwischen der C3 und der C4 Photosynthese anzusehen sind. Ein Beispiel für eine Flaveria-Art für jede dieser Photosyntheseformen ist in Abbildung B zu sehen. Diese Besonderheit erlaubt es uns die Schritte, die durchlaufen wurden, um aus einer C3 Pflanze eine C4 Pflanze zu entwickeln, in verschiedenen Zwischenstufen zu betrachten.

Physiologisch wurde die Gattung Flaveria bereits vor einigen Jahren sehr eingehend untersucht, dies führte unter anderem zu der Zuordnung der einzelnen Spezies zu ihrem jeweiligen Photosynthesetyp. Zusätzlich wurde kürzlich eine ausführliche Phylogenie auf molekularer Ebene durchgeführt, die die Verwandtschaftsverhältnisse der Spezies untereinander genau darstellt (McKown et al., 2005). Im letzten Jahr wurden zudem die Transkriptome von neun verschiedenen Flaveria Spezies veröffentlicht (Mallmann et al., 2014). Das Transkriptom ist die Summe aller Gene, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle von DNA in RNA umgeschrieben, also transkribiert werden. Hinzu kommt, dass die C4 Spezies Flaveria bidentis mittels des Bodenbakteriums Agrobacterium tumefaciens stabil transformiert werden kann. Das bedeutet, dass es gelingt, mittels des Bodenbakteriums neue Gene in die Pflanze einzuschleusen, und zwar so, dass diese stabil in die DNA der Pflanze integriert werden.

All dies gibt uns stetig neue Mittel und Wege in die Hand, die Evolution der C4 Photosynthese zu verstehen. Dieses Verständnis ist essentiell, um eines der Ziele von CEPLAS, die Modifizierung einer C3 in eine C4 Pflanze, umzusetzen.

Beitrag von Stefanie Schulze, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

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Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zugehörige Publikationen

Mallmann J, Heckmann D, Brautigam A, Lercher MJ, Weber AP, Westhoff P, & Gowik U (2014) The role of photorespiration during the evolution of C4 photosynthesis in the genus Flaveria. eLife 3:e02478. [Abstract]

McKown AD, Moncalvo JM, & Dengler NG (2005) Phylogeny of Flaveria (Asteraceae) and inference of C4 photosynthesis evolution. American journal of botany 92(11):1911-1928. [Abstract]

Sage RF, Sage TL, & Kocacinar F (2012) Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis. Annual review of plant biology 63:19-47. [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich