Überraschung bei der Evolution durch Endosymbiose: Diatomeen verleibten sich sowohl Grün- als auch Rotalgen ein
Die Evolution der Organismen, und vor allem der Algen, bleibt spannend. Die heutigen eukaryotische Zellen entstanden durch Endosymbiose, dass heißt durch Aufnahme eines anderen Einzellers in die eigene Zelle. Das bekannteste Beispiel ist sicherlich die Aufnahme eines frühen Cyanobakteriums in eine eukaryotische Wirtszelle, woraus die heutigen Chloroplasten entstanden. Mit der Aufnahme einer fremden Zelle und deren Umbau in ein Organell gingen starke Änderungen im Genom sowie im Stoffwechsel einher. So wurden beispielsweise viele Gene aus den zukünftigen Plastiden in den Kern ausgelagert. Diesem primären Endosymbiose-Ereignis verdanken wir neben Glaucophyta, die Rotalgen sowie die Grünalgen und ihre Verwandten inklusive der Samenpflanzen (Spermatophyta).
Algen werden abermals verschluckt
Dieser so genannten primären Endosymbiose folgten im Lauf der Evolution sekundäre, bei der schon existierende, eukaryotische Algen abermals von einem anderen Eukaryoten ‚verschluckt’, jedoch nicht verdaut wurden. Gerade durch diese sekundären Endosymbiosen entstand die heutige Vielfalt der Algen. So sind auch die Plastiden der Kieselalgen (Diatomeen) auf eine sekundäre Endosymbiose zurückzuführen. Dabei war schon länger klar, dass eine Rotalge als Chloroplastenvorläufer gedient haben muss. Auch im Verlauf sekundärer Endosymbiosen kam es zum Transfer von Genen vom zukünftigem Plastid - also der Rotalge - in das Kerngenom. Der Kern sollte damit eine Mischung aus den ursprünglichen Wirtsgenen - Genen, die aus der Endosymbiose des Mitochondriums stammen - sowie aus Rotalgengenen enthalten.
Grüner Kern und roter Plastid
Wenn man nun Stammbäume der kernkodierten Proteine der Diatomeen, Rotalgen und Grünalgen aufstellt, sollte man also erwarten, dass die Diatomeen-Gene immer am nächsten mit den Rotalgengenen verwandt sind. Weit gefehlt! Wie Mousata et al. zeigen, sind viele (~1700) nukleäre Gene der Diatomeen näher mit den Grünalgen verwandt. Während also bei Diatomeen der Plastid ‚rot’ ist, ist der Kern teilweise ‚grün’.
Grüner Anteil schon früher postuliert
Diese Hypothese ist nicht neu. Auch Becker et al.1) kamen schon 2008 auf einem anderen Weg zur Bestätigung dieser früheren Annahme: Wie sie zeigten, muss schon vor der sekundären mit einer Rotalge eine Endosymbiose mit einer Grünalge stattgefunden haben. Anschließend ging dieser ‚grüne’ Plastid wieder verloren und hinterließ einige Gene im Kern.
Wie konnte dies nun im Lauf der Evolution geschehen? Ungewöhnlich ist so etwas nicht. Bei einigen Algengruppen (Dinophyta) kommt es durchaus vor, dass tertiäre Endosymbiosen unter Verlust des ursprünglichen (aus der sekundären Endosymbiose entstandenenen) Chloroplasten entstehen.
Auch Prokaryoten aufgenommen
Interessant ist allerdings, dass nicht nur verschiedene Eukaryoten als Symbionten in der Evolution auftraten bzw. - treten, sondern dass auch verschiedene Prokaryoten zeitweise als Endosymbionten auftraten: so können Becker et al. Gene von Chlamydien, einer Bakteriengruppe, in allen untersuchten photosynthetischen Eukaryoten nachweisen. Die sorgfältige Analyse legt dabei nahe, dass diese Endosymbiose sehr früh in der Evolution von statten ging, so dass der Transfer chlamydialer Gene in den Kern entweder durch oder gleichzeitig mit dem cyanobakteriellen Endosymbionten von statten ging. Auch die Chlamydien gingen dann im Laufe der Evolution wieder verloren, doch die hinterlassenen Gene werden weiter genutzt. Eine weitere Bestätigung, dass der Ausdruck ‚shopping bag model’ für die Entstehung der Plastiden durchaus seine Berechtigung hat.
Fazit: Evolution der Algen überrascht immer wieder
So sind Algen, vor allem auch im evolutionären Sinne, immer wieder für eine Überraschung gut und die Stammbäume der Gesamtorganismen sind eigentlich keine strikten Bäume, sondern eher Netzwerke, deren starke Vernetzung in den verschiedenen Endosymbiose-Ereignissen begründet liegen.
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Vorgestellt von
Prof. Dr. Claudia Büchel
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