Seit Beginn der Erforschung des Lebens bestand immer ein Interesse daran, Organismen auf unterschiedliche Weise zu klassifizieren. Für Pflanzen könnte man sich viele Kriterien vorstellen, wie zum Beispiel morphologische Eigenschaften, unsere Verwendung und die Umgebung, in der sie vorkommen. Biologen sind jedoch nicht nur an der Klassifizierung von Organismen interessiert, sondern auch daran, ihre evolutionäre Verwandtschaft zu verstehen. Hierzu werden Informationen aus der Morphologie oder neuerdings auch Daten aus DNA, RNA oder Proteinen genutzt. Es gibt mehrere Gründe, warum einige Biologen die Verwendung molekularer Daten bevorzugen. Eines der wichtigsten ist wohl, dass einige morphologische Merkmale durchaus ähnlich aussehen können, dies bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass sie von einem gemeinsamen Vorfahren stammen; sie können das Ergebnis völlig unabhängiger evolutionärer Prozesse sein. Da die DNA jedoch nicht nur die Informationen eines Organismus, sondern auch seine Vergangenheit in sich trägt, sind molekulare Phylogenien sehr nützlich, um genauere Beziehungen zwischen Organismen herzustellen.

Ein klares Beispiel hierfür ist die Familie der Elatinaceae, bei der lange Zeit unklar war, mit welcher anderen Pflanzengruppe sie am engsten verwandt sein könnte. Einige Forscher behaupteten zunächst, dass diese Familie eng mit ihnen verwandt sei Caryophyllaceae – die Familie der Nelkengewächse – wegen ihrer kleinen Blüten und winzigen Samen. Andere vermuteten aufgrund anatomischer, palynologischer und embryologischer Beweise, dass es eng damit verwandt sei Frankeniaceaeund Tamaricaceae. Später wiesen andere Autoren darauf hin, dass die Familie eng verwandt sei Clusiaceen – der Mangostan-Familie – was später durch molekulare Studien bestätigt wurde. Dies positionierte Elatinaceae als Mitglied der Ordnung Malpighiales, einer Ordnung, die von allem etwas hat: von der Gummibaum (hevea brasiliensis) und Passionsfrucht (Passiflora) zum kleinblumige Veilchen (Bratsche spp.) und Rafflesia arnoldii–die Pflanze mit dem Rekord für die größte Blume der Welt.

Die evolutionären Beziehungen der Elatinaceae zu den anderen Familien innerhalb der Malpighiales blieben jedoch ungewiss, bis eine andere molekulare phylogenetische Studie überzeugend feststellte, dass Elatinaceae die Schwester der Malpighiaceae ist. Dieser Befund war schockierend, wenn man die großen Unterschiede zwischen diesen beiden Familien bedenkt: Während Elatinaceae eine kosmopolitische Familie kleiner, terrestrischer, aquatischer oder amphibischer Arten mit kleinen, unauffälligen Blüten ist, handelt es sich bei Malpighiaceae um eine überwiegend tropische amerikanische Familie von Lianen und Bäumen mit auffälligen, meist gelben Blüten , orange oder rosa Blüten.

Blüten der Elatinaceae (oben) und ihrer Schwesterfamilie Malpighiaceae (unten). Oben links: Elatine gratioloides (Foto von Margaret Donald, Wikicommons). Oben rechts: Elatin Triandra (Foto von Loasa, Wikicommons). Unten links: Tetrapterys phlomoides (Foto von Alex Popovkin, Wikicommons). Unten rechts: Stigmaphyllon diversifolium (Foto von Patrice78500, Wikicommons).

Interessanterweise hat sich die Kombination molekularer Phylogeniedaten mit morphologischen Informationen als wertvoll für das Verständnis von Ähnlichkeiten zwischen Familien erwiesen, die oberflächlich betrachtet auffallend unterschiedlich erscheinen. Beispielsweise war eine detaillierte Untersuchung der Blütenanatomie äußerst hilfreich, um die Beziehung zwischen einigen Familien der Ordnung Malpighiales besser zu verstehen. Zum Beispiel Blumen der Schwesternfamilien Rhizophoraceae und Erythroxylaceae haben nektarproduzierende Röhren in den Staubblättern und eine sogenannte Zellschicht Idioblasten in den Kelchblättern und Eierstöcken. Ähnliche Studien haben auch festgestellt, dass die Schwesterfamilien Chrysobalanaceae und Euphroniaceae Sie weisen auch florale Merkmale auf, wie z. B. schleimproduzierende Zellen in den Kelchblättern und eine gelappte Form Nektar. Allerdings gab es bis vor Kurzem keine Studie zur Blütenanatomie der Elatinaceae und es gab keine Möglichkeit zu wissen, ob sie irgendwelche Blütenmerkmale mit ihrer Schwesterfamilie, den Malpighiaceae, gemeinsam haben.

Vor diesem Hintergrund führten Dr. Stéphanie Bonifácio und Kollegen die Studie durch die erste blütenanatomische Studie der Familie Elatinaceae, Analyse von vier Arten seiner beiden Gattungen, Bergia und Elatine. Die Autoren führten eine umfassende Analyse der Blütenmerkmale von Elatinaceae durch und verglichen sie mit denen, die für Malpighiaceae auf der Grundlage der verfügbaren Literatur zu Malpighiales-Familien berichtet wurden. Nach Durchsicht all dieser Merkmale konnten die Autoren zwei morphologische Merkmale finden, die Elatinaceae und Malpighiaceae gemeinsam haben. Das erste war das Vorhandensein sekretorischer Strukturen im Staubbeutel verbindend, das Gewebe, das die pollenproduzierenden Strukturen der Blüte verbindet. Diese Neuheit für Elatinaceae wurde bisher in keiner anderen Studie über die Familie berichtet.

Anthere Anatomie von Elatine lindbergii, mit einer Nahaufnahme im rechten Bild. Die Pfeile zeigen die sekretorischen Strukturen im Bindegewebe an, dem Gewebe, das die beiden Staubbeutel mit Pollenkörnern verbindet (hier als große und blaue tetradische Strukturen dargestellt). Fotos von Stéphani Bonifácio.

Andererseits stellten die Autoren fest, dass die Samenanlagen der Blüten sichtbar waren Hypostase, ein Gewebe, das sich von den umgebenden Zellen zu dem Gewebe unterscheidet, das die Samen während ihrer Entwicklung ernährt. Solche Strukturen sind nicht in allen Pflanzenfamilien vorhanden. Die Tatsache, dass sie in diesen beiden Schwesterfamilien vorkommen, weist darauf hin, dass trotz ihrer bemerkenswerten morphologischen Unterschiede noch Spuren ihrer Abstammung vorhanden sind.

Anatomie der Eizelle von Elatin Triandra. Der Pfeil zeigt auf die Hypostase, eine Gruppe differenzierter Zellen in einem der Pole der Eizelle. Fotos von Stéphani Bonifácio.

Neben der Entdeckung gemeinsamer Strukturen dieser Familien machten die Forscher auch einige aufschlussreiche Beobachtungen. Sie bemerkten eine geringe Anzahl von Pollenkörnern und dass der Pollen in den Staubbeuteln früh mit der Keimung begann. Darüber hinaus stellten sie das Fehlen nektarproduzierender Strukturen fest, und zwar im konkreten Fall Elatine gratioloides, die männlichen und weiblichen Strukturen waren nicht wie bei den meisten Pflanzen getrennt, sondern zu einer einzigen Struktur verschmolzen. Diese Merkmale führten Bonifácio und Kollegen zu der Schlussfolgerung, dass die Blüten der Elatinaceae nur begrenzt in der Lage sind, Bestäuber anzulocken, was auf die Möglichkeit einer Autogamie in dieser Familie schließen lässt, d. h. auf die Fähigkeit zur Selbstbefruchtung, ohne auf Pollen anderer Blüten angewiesen zu sein.

Im Gegensatz zu den Elatinaceae weisen die Blüten ihrer Schwesterfamilie Malpighiaceae für Insekten auffällige Eigenschaften auf, da sie die Übertragung von Pollen zwischen anderen Blüten, sogar von verschiedenen Individuen, fördern. Diese Unterschiede verdeutlichen die faszinierende Vielfalt der Evolutionsmechanismen, die Pflanzen entwickelt haben, um ihren Fortpflanzungserfolg in verschiedenen Umgebungen sicherzustellen.

Malpighiaceae wurde beispielsweise durch eine wechselseitige Beziehung zu ölsammelnden Bienen beeinflusst, die Allogamie begünstigte und eine Abhängigkeit von Bestäubern erzeugte. Bei Elatinaceae hingegen ist der Trend umgekehrt: Blüten sind in der Regel nicht auf externe Bestäuber angewiesen und greifen auf Autogamie als Fortpflanzungsstrategie zurück. Diese Strategie könnte entstanden sein, um die Fortpflanzung und Etablierung in Kontexten sicherzustellen, in denen die Verfügbarkeit externer Bestäuber möglicherweise begrenzt ist.

Die Erforschung der Blütenmerkmale dieser beiden Geschwisterfamilien, in denen unterschiedliche sexuelle Fortpflanzungsstrategien für bemerkenswerte morphologische Unterschiede verantwortlich sind, verdeutlicht die Vielfalt der Evolutionsmechanismen, die als Reaktion auf unterschiedliche Selektionsdrücke entstanden sind. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung vergleichender anatomischer Analysen, die sich auf phylogenetische Beziehungen konzentrieren, nicht nur um Evolutionshypothesen aufzustellen, sondern auch um ein tieferes Verständnis der Prozesse zu erlangen, die die Pflanzenvielfalt geprägt haben.

DER ARTIKEL::

Bonifácio, SKV, Amorim, AM & Oliveira, DMT Die Blumenanatomie weist auf Autogamie als möglichen Evolutionspfad bei Elatinaceae (Malpighiales) hin. Plant Syst Evol309, 34 (2023). https://doi.org/10.1007/s00606-023-01872-0

Anderson Alvarado

Anderson ist ein Biologe, der sich für die Entwicklung und Anatomie von Blüten interessiert, hauptsächlich in der Familie der Hülsenfrüchtler (Leguminosae). Derzeit untersucht er die Prozesse der Blütenontogenese in Abstammungslinien mit nicht-schmetterlingsförmigen Blüten innerhalb der früh abzweigenden Papilionoideae (Hülsenfrüchtler).

Spanische und portugiesische Übersetzung von Anderson Alvarado.

Titelbild von Julia Kruse, Wikicommons.