Entwicklung einer besonderen Photosyntheseform bei tropischen Bäumen entschlüsselt
Neue Erkenntnisse könnten zur Anpassung von Nutzpflanzen an Trockenheit beitragen
Photosynthese ermöglicht Pflanzen, mithilfe von Sonnenlicht aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Zucker sowie Sauerstoff zu erzeugen. Dabei stellt Trockenheit eine erhebliche Herausforderung dar. Ein Forschungsteam unter Leitung von Wolfram Weckwerth an der Universität Wien hat nun untersucht, wie sich eine wassersparende Variante der Photosynthese, das sogenannte CAM (Crassulacean Acid Metabolism), innerhalb einer tropischen Baumgattung evolutionär vielfältig entwickelt hat. Die Analyse der Genome von drei Clusia-Arten verdeutlicht, wie Genomverdopplung und anschließende genetische Umstrukturierungen zur Diversität verschiedener CAM-Formen beitragen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Historische Beobachtung und CAM-Mechanismus
Bereits um 1800 entdeckte Alexander von Humboldt eine Besonderheit bei einem tropischen Baumblatt: Trotz Sonneneinstrahlung entstanden keine Sauerstoffblasen, wie sonst üblich. Diese Pflanze schließt tagsüber ihre Blattöffnungen, um Wasserverlust durch Verdunstung zu vermeiden, und nimmt Kohlendioxid stattdessen nachts auf. Das CO₂ wird in Form von Apfelsäure gespeichert. Dieses Verfahren wird als CAM-Photosynthese bezeichnet. Die evolutionäre Entstehung und Variation dieser Strategie innerhalb der Gattung Clusia war bisher unzureichend erforscht.
Methodik der Studie
Im Rahmen der Untersuchung wurden die Genome von drei Clusia-Arten – Clusia rosea, Clusia minor und Clusia major – analysiert, die unterschiedliche CAM-Ausprägungen repräsentieren. Dabei kombinierten die Wissenschaftler molekulare Daten mit physiologischen Messungen unter naturnahen Gewächshausbedingungen mit variierender Wasserversorgung.
Genomische Grundlagen der Photosynthesevielfalt
Die Gattung Clusia ist die einzige bekannte Baumgruppe, die CAM-Photosynthese betreibt und zeigt eine breite Palette von Photosyntheseformen, von klassischer C₃-Photosynthese bis hin zu stark ausgeprägtem CAM. Diese Vielfalt macht Clusia zu einem geeigneten Modell für die Erforschung evolutionärer Übergänge zwischen Photosyntheseformen.
Die Analysen zeigten, dass alle drei Arten uralte Polyploide sind, deren Genome im Laufe der Evolution vervielfacht (Polyploidisierung) und anschließend über lange Zeiträume umgebaut (Diploidisierung) wurden. Dabei gingen Genkopien verloren, wurden deaktiviert oder übernahmen neue Funktionen. Besonders betroffen sind Gene, die für die nächtliche CO₂-Speicherung im CAM-Stoffwechsel entscheidend sind. Die genomische Reorganisation über Millionen von Jahren erklärt die physiologische Vielfalt des CAM in Clusia.
Untersuchungen unter realistischen Umweltbedingungen
- Clusia rosea: Betreibt stark ausgeprägtes CAM mit intensiver nächtlicher CO₂-Speicherung in Form von Apfelsäure.
- Clusia minor: Aktiviert CAM vor allem unter Stressbedingungen.
- Clusia major: Zeigt eine Mischform aus C₃-Photosynthese und CAM.
Diese Unterschiede spiegeln sich in der Genaktivität sowie im Stoffwechselprofil wider und korrelieren mit den identifizierten genetischen Veränderungen. CAM stellt demnach kein einmaliges evolutionäres Ereignis dar, sondern ist das Resultat wiederholter genomischer Umgestaltungen, die eine Anpassung an verschiedene ökologische Nischen ermöglichten.
Bedeutung für Landwirtschaft und Klimaanpassung
Pflanzen mit CAM-Photosynthese benötigen deutlich weniger Wasser und gelten daher als potenzielle Vorbilder für klimaresistente Nutzpflanzen. Die gewonnenen Genomdaten erlauben die Identifikation von Stoffwechselwegen, die mit effizienter CO₂-Speicherung und hoher Wassernutzungseffizienz verbunden sind. Langfristig könnten diese Erkenntnisse die gezielte Entwicklung von Nutzpflanzen unterstützen, die an trockene Umweltbedingungen angepasst sind.
Zusammenfassung der zentralen Ergebnisse
- Pflanzen können neben der klassischen C₃-Photosynthese eine wassersparende CAM-Variante nutzen, bei der CO₂ überwiegend nachts aufgenommen wird.
- Die tropische Baumgattung Clusia ist die einzige bekannte baumartige Gattung mit CAM und zeigt eine außergewöhnliche Vielfalt an Photosyntheseformen.
- Genomverdopplung und anschließende genetische Umstrukturierungen stehen im Zusammenhang mit dieser Vielfalt.
- Insbesondere Gene, die am Stärkeabbau und der Energiebereitstellung beteiligt sind, sind betroffen.
- Die Ergebnisse bieten Ansatzpunkte, um wassereffiziente Stoffwechselprozesse besser zu verstehen und für klimaangepasste Pflanzen nutzbar zu machen.
Informationen zur Universität Wien
Die Universität Wien ist seit über 650 Jahren eine bedeutende Institution für Bildung, Forschung und Innovation. Sie gehört zu den weltweit führenden Universitäten und verfügt über ein breites Spektrum an Studiengängen sowie eine große wissenschaftliche Gemeinschaft. Interdisziplinäre Zusammenarbeit fördert Spitzenforschung und die Entwicklung nachhaltiger Lösungen für aktuelle Herausforderungen.
Forschungsverbund Umwelt und Klima
Wolfram Weckwerth ist Professor am Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie und Mitglied des interdisziplinären Forschungsverbunds Umwelt und Klima (Environment and Climate Research Hub) der Universität Wien. Dieser Verbund vereint Experten verschiedener Fachrichtungen, um wissenschaftliche Erkenntnisse zu generieren, die Lösungen für Klimawandel, Biodiversitätsverlust und Umweltverschmutzung ermöglichen.
Weiterführende Links
- Department of Functional and Evolutionary Ecology
- Molecular Systems Biology Lab (MOSYS)
- Vienna Metabolomics Center (VIME)
Kontakt für wissenschaftliche Anfragen
Univ.-Prof. Dr. Wolfram Weckwerth
Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie
Universität Wien
Djerassiplatz 1, 1030 Wien
Telefon: +43-1-4277-76550
E-Mail: wolfram.weckwerth@univie.ac.at
Originalpublikation
Kramml et al. (2026): Clusia genomes shed light on the evolution and diversity of crassulacean Acid metabolism physiotypes. Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-026-71958-z
