25.08.2021

Als den Pflanzen Wurzeln wuchsen

Für den evolutionären Schritt vom Wasser ans Land bildeten die Pioniere der Landpflanzen erstmals wurzelähnliche Strukturen aus. Eine an der ÖAW geleitete 3D-Rekonstruktion einer fossilen Pflanze bringt nun erstmals Licht in die Frühzeit der Wurzelentwicklung.

Künstlerische Illustration von Asteroxylon mackiei auf Basis der 3D-Rekonstruktion © Matt Humpage
Künstlerische Illustration von Asteroxylon mackiei auf Basis der 3D-Rekonstruktion © Matt Humpage

Vor mehr als 400 Millionen Jahren konnten Pflanzen allmählich auf trockenem Untergrund Fuß fassen und sich an Land verbreiten. Bis dahin hatten sie sich mit Stängeln und Blättern in flachen Gewässern entwickelt, für Wurzeln gab es noch keinen Bedarf. Das änderte sich mit ihrem Schritt an Land. Denn nun galt es Halt zu finden und ausreichend Wasser und Nährstoffe heranzuschaffen. Diese evolutionären Anfänge der Wurzeln konnte nun ein internationales Team unter Federführung des GMI - Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erhellen. Erstmals konnten die Forscher/innen sehr ursprüngliche Wurzeln in fossilen Belegen einer bereits komplexeren Landpflanze aus dem frühen Devon in 3D rekonstruieren. Die Ergebnisse veröffentlichten sie im Journal eLife.

Ein 3D-Modell der Pflanze namens Asteroxylon mackiei

Paläontolog/innen haben wertvolle Vorarbeit geleistet, sodass heute wichtige Fossilien zur Verfügung stehen, die mit neuesten Methoden auf ihre Vergangenheit hin „befragt“ werden können. So auch die 407 Millionen Jahre alten Horn- oder Feuersteine aus der Gegend um den Schottischen Ort Rhynie in Aberdeenshire. In solchen Gesteinen hat sich Asteroxylon mackiei, eine Landpflanzen, die bereits eine gewisse Komplexität erreicht hatte, außergewöhnlich gut erhalten. Über deren Wurzelsystem war aber bislang kaum etwas bekannt. Liam Dolan vom GMI und seine Kolleg/innen aus Oxford, Cambridge und Münster wollten die Strukturen aufdecken und evidenzbasierte evolutionäre Schlussfolgerungen daraus ziehen.

Kernstück ihrer Forschungsarbeit war es, Schnittfolgen aus einem mehrere Zentimeter großen Hornsteinblock mit Asteroxylon zu erstellen und in einer speziellen Technik zu einem räumlichen Bild zu kombinieren. In dieser erstmaligen 3D-Rekonstruktion des Pflanzenfossils kam ein Gebilde zutage aus blattartigen Strukturen und Sprossachsen mit gabelartigen Verzweigungen, „von denen die eine Zinke die Sprossidentität behielt, die andere eine Wurzelidentität entwickelte“, wie Liam Dolan erklärt. Damit ist dem Team ein entscheidender Schritt im Verständnis der ältesten bekannten Strukturen, die modernen Wurzeln ähneln, geglückt. Der hier aufgeklärte Mechanismus der Wurzelbildung ist zwar längst ausgestorben, markiert aber einen Ausgangspunkt bei den ersten komplexen Landpflanzen. Im Lauf der Evolution hat sich das Wurzelsystem perfektioniert und an unterschiedlichste Bedingungen angepasst, wie an heutigen Landpflanzen zu sehen ist.

Der Beginn einer ökologischen Revolution

Damit stehen die Wurzeln buchstäblich an der Wurzel des Erfolgs der weltweiten Verbreitung von Landpflanzen. Ihre Ausbreitung veränderte die Atmosphäre grundlegend, stabilisierte den Boden und revolutionierte die Wasserzirkulation auf den Oberflächen der Kontinente. Die 3D-Rekonstruktion der nur wenige Zentimeter großen Pflanze aus dem frühen Devon gibt somit einen Einblick in eine Schlüsselzeit der Erdgeschichte.

 

Publikation:

Hetherington A. J. et al. "An evidence-based 3D reconstruction of Asteroxylon mackiei the most complex plant preserved from the Rhynie chert”. eLife 2021
DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.69447

 

 

 


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