Die sexuelle Fortpflanzung bei Pflanzen und Tieren stellt ein evolutionäres Rätsel dar. Es ist genetisch riskant, zeitaufwändig und fehleranfällig – was möglicherweise zu einer verminderten Fitness führt. Und doch vermehren sich mindestens 99 % aller Pflanzen und Tiere sexuell. Diese Gemeinsamkeit wirft die Frage auf, ob es einen universellen evolutionären Druck gibt, sich für die sexuelle Fortpflanzung zu entscheiden und diese aufrechtzuerhalten.
Elvira Hörandl argumentiert in einem Übersichtsartikel in Annals of Botany zur Abwicklung, Integrierung, Speicherung und Die Notwendigkeit einer DNA-Reparatur könnte die Grundlage für die nahezu universelle Verbreitung von Sex im Pflanzen- und Tierreich sein. Und sie nutzt Landpflanzen als Werkzeug, um ihre Argumente vorzubringen.
„Landpflanzen sind für diese Fragestellung von besonderem Interesse, da einerseits ähnlich wie bei Tieren die sexuelle Fortpflanzung vorherrscht; Andererseits lassen sich einige für Tiere entwickelte Theorien nicht ohne weiteres auf Pflanzen übertragen, da autotrophe Organismen andere physiologische Einschränkungen haben.“
Der Schlüsselprozess der sexuellen Fortpflanzung ist die Meiose, definiert als die Paarung und Rekombination der entsprechenden Elternchromosomen. Während dieses Prozesses wird die DNA der Eltern fusioniert, um eine genetische Variation bei den Nachkommen zu erzeugen. Die neuen genetischen Kombinationen können vorteilhaft, neutral oder sogar schädlich für die Fitness sein, wenn gut angepasste Gene aufgebrochen werden.
Hörandl argumentiert, dass Pflanzen keine Meiose benötigen, um vorteilhafte genetische Kombinationen zu erreichen – stattdessen kann Polyploidie verwendet werden. Bei Pflanzen sind viele Arten polyploid, haben also mehrere Genome, und die individuelle genetische Variation ist entsprechend groß. Diese eingebaute genetische Vielfalt verleiht Pflanzen die notwendige „phänotypische Plastizität“, um auf Umweltstressoren wie Licht, Hitze, Trockenheit und Salz zu reagieren. In diesem Zusammenhang kann die asexuelle Fortpflanzung, bei der sich Pflanzen ohne Meiose vermehren, als Fortpflanzungsstrategie sinnvoll sein.
Obwohl sich viele Pflanzen ungeschlechtlich vermehren, zeigt Hörandl, dass viele dieser Arten in derselben Pflanze auf flexible Weise sowohl sexuelle als auch asexuelle Fortpflanzungswege parallel durchlaufen und nicht ausschließlich auf asexuelle Formen der Fortpflanzung angewiesen sind.
Es stellt sich also die Frage: Wenn Polyploidie und asexuelle Fortpflanzung ausreichen, um die für die Fitness notwendige genetische Vielfalt zu schaffen, warum kümmern sich Pflanzen dann um die sexuelle Fortpflanzung?
Hörandl schlägt vor, dass die „DNA-Restaurationstheorie“ die Antwort liefert. Diese Theorie besagt, dass die Hauptfunktion der Meiose darin besteht, beschädigte DNA zu reparieren und negative Mutationen in jeder Generation zu beseitigen. Demnach ist die genetische Rekombination nicht das Endziel der sexuellen Fortpflanzung, sondern vielmehr ein Nebenprodukt eines DNA-Reparaturmechanismus.
DNA muss repariert werden, da sie sowohl durch die mitochondriale Atmung als auch durch die Photosynthese in Pflanzen kontinuierlich geschädigt wird. Hörandl schreibt:
„Langfristig würde eine asexuelle Fortpflanzung ohne jegliche Rekombination aufgrund der Anhäufung schädlicher Mutationen, insbesondere in kleinen Populationen, zum Verfall des Genoms führen und schließlich zum Aussterben der asexuellen Abstammungslinie führen.“
Tatsächlich wird die sexuelle Fortpflanzung und damit die Meiose bei Pflanzen ausgelöst, die in DNA-Schäden verursachenden, stressigen Umgebungen wachsen. Hörandl merkt das nur an
„…ein bisschen Sex (im Mittel etwa 6 % rekombinierte Nachkommen bei drei Nachkommen) reicht aus, um eine Anhäufung von Mutationen über Generationen hinweg zu vermeiden.“
Folglich haben Arten möglicherweise die Fähigkeit entwickelt, sich sexuell zu vermehren, um ihre DNA zu reparieren und zu erhalten.
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Hörandl, E. (2024) “Apomixis und das Paradoxon der Sexualität bei Pflanzen" Annals of Botany, S. mcae044. Verfügbar unter: https://doi.org/10.1093/aob/mcae044.
