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Wie Landpflanzen ihre Wurzeln entwickelten

407 Millionen Jahre altes Fossil enthüllt Übergangsform der Wurzelbildung

Asteroxylon mackiei
Dieses unscheinbare Gewächs gehörte vor 407 Millionen Jahren zu den Pionieren der Landpflanzen-Evolution. © Matt Humpage

Fenster in die Urzeit: 407 Millionen Jahre alte Pflanzenfossilien enthüllen erstmals, wie die Wurzeln der frühen Landpflanzen aussahen und wie sie sich entwickelten. Anders als bei heutigen Pflanzen entstanden diese ersten Wurzeln demnach aus einer ungleichen Verzweigung: Ein Ausläufer zeigte Merkmale eines Sprossachse mit Blattansätzen, der zweite aber war eine blattlose Wurzel. Dies repräsentiert eine heute ausgestorben Übergangsform der Wurzelentwickelung – eine Art Missing Link der Pflanzenevolution.

Als die Pflanzen vor knapp 500 Millionen Jahren das Land eroberten, mussten sie ganz neue Strukturen entwickeln. Die anfangs noch algenartigen Gewächse passten sich an das Leben außerhalb des Wassers an und bildeten Wurzeln, Sprossachsen und Blätter, um sich im neuen Lebensraum behaupten zu können. Paläontologen vermuten, dass eine Symbiose mit Pilzen den ersten Landpflanzen dabei geholfen haben könnte.

Ein ganzes Ökosystem im Hornstein

Wie diese ersten Landpflanzen aussahen und wie sie ihre Blätter, Sprossachsen und Wurzeln entwickelten, verraten nun 407 Millionen Jahre alte Fossilien aus dem schottischen Rhynie Chert. Diese feinkörnige Hornstein-Formation aus dem frühen Devon ist für ihre gute Konservierung von Fossilien berühmt. „Der Rhynie Chert konserviert das komplette Ökosystem rund um eine heiße Quelle – Pflanzen, Tiere, Pilze und Mikroben sind hier in situ erhalten“, erklären Alexander Hetherington von der University of Edinburgh und seine Kollegen.

Unter den Funden im Rhynie Chert sind auch Fossilien der ausgestorbenen Pflanzenart Asteroxylon mackiei. Wie diese frühe Verwandte der Bärlappgewächse ihre Organe bildete, haben die Forscher nun erstmals im Details rekonstruiert. Diese 3D-Rekonstruktion eröffnet einen Blick in einen Schlüsselmoment der Pflanzenevolution – die Bildung der ersten Pflanzenwurzeln.

Ungleiche Verzweigung der Achsen

Die Analysen enthüllen: Asteroxylon mackiei besaß zwar schon Blattachsen, Sprossachsen und wurzelartige Ausläufer. Aber ihre Wurzeln entstanden auf ganz andere Art als bei heutigen Pflanzen. Bei diesen wachsen Wurzeln und andere Pflanzenachsen durch eine gleichartige Verzweigung: Aus einem Hauptast gehen zwei Ausläufer der gleichen Sorte hervor – zwei Wurzeln oder zwei Sprossachsen.

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Verzweigung
Ungleiche Verzweigung von Sprossachse und Wurzel im Modell und im Fossilquerschnitt. © Hetherington et al./ eLife, CC-by-sa 4.0

Doch bei dem urzeitlichen Bärlapp-Vorläufer war dies anders: „Die Wurzeln von Asteroxylon entwickelten sich, indem eine sprossähnliche Achse eine Gabelung bildete, bei der ein Zinke seine Sprossidentität behielt und der zweite seine Wurzelidentität entwickelte“, erklärt Seniorautor Liam Dolan vom Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie in Wien. Der Wurzelcharakter zeigt sich dabei im Fehlen von Blattansätzen und einer Kutikula sowie anders geformten Leitbündeln.

Übergangsform der Wurzelbildung

Diese Ergebnisse belegen, dass die frühen Landpflanzen ihre wurzelartigen Ausläufer noch durch eine anisotome Dichotomie bildete – eine ungleichartige Teilung. Damit repräsentiert Asteroxylon eine Übergangsform von primitiven Landpflanzen ohne die typische Teilung in Blätter, Spross und Wurzeln hin zu den höheren Pflanzen mit deutlich abgrenzten Pflanzenteilen. „Unsere Resultate legen nahe, dass die anisotome Dichotomie wahrscheinlich der Schlüssel für die Entwicklung des bereits komplexen Bauplans von Asteroxylon mackiei war“, konstatieren Hetherington und sein Team.

Im Prinzip ist der urzeitliche Bärlapp-Verwandte damit eine Art Missing-Link der Pflanzenevolution. „Das Verständnis der Struktur und der Entwicklung dieser Pflanzen aus dem frühen Devon gibt uns einen Einblick in die Schlüsselzeit der Erdgeschichte, kurz nachdem die Pflanzen die trockenen Oberflächen der Kontinente besiedelten“, sagt Dolan. (eLife, 2021; doi: 10.7554/eLife.69447)

Quelle: Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI)

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