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Neue Erkenntnisse können zukünftig helfen, Nutzpflanzen an trockene Umweltbedingungen anzupassen
Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid auf verschiedene Weise energiereiche Zucker und Sauerstoff zu bilden (Photosynthese). Dabei ist Trockenheit ein großes Problem. Ein Forschungsteam unter Leitung von Wolfram Weckwerth an der Universität Wien zeigt nun, wie sich eine besonders wassersparende Variante dieses Prozesses (CAM) in einer einzelnen tropischen Baumgattung evolutionär divers entwickelt hat. Durch die Analyse des Erbguts dreier Arten der Gattung Clusia konnten die Forschenden nachvollziehen, wie Genomvervielfachung und nachfolgender genetischer Umbau zur Vielfalt unterschiedlicher CAM-Ausprägungen beitragen. Die Ergebnisse wurden aktuell in Nature Communications veröffentlicht.
Um 1800 machte Alexander von Humboldt eine ungewöhnliche Beobachtung. Er tauchte das Blatt eines tropischen Baumes ins Wasser und stellte fest, dass trotz Sonneneinstrahlung keine Sauerstoffblasen – wie bis dahin bekannt – entstanden. Diese Pflanze hält Blattöffnungen, die eigentlich der Aufnahme von CO2 und der Abgabe von Sauerstoff am Tage dienen, tagsüber geschlossen und vermeidet so Wasserverlust durch Verdunstung. CO2 wird dann nachts aufgenommen und chemisch gebunden und gespeichert in Form der Apfelsäure . Dieses Prinzip wird als “CAM-Photosynthese” (Crassulacean Acid Metabolism) bezeichnet. Wie sich diese Strategie bei der Gattung Clusia evolutionär differenziert hat und warum sie in unterschiedlichen Ausprägungen vorkommt, war bislang nur unzureichend verstanden.
Über die Studie
Im Rahmen der Studie wurde das Erbgut von drei Clusia-Arten analysiert, die unterschiedliche CAM-Ausprägungen repräsentieren: Clusia rosea, Clusia minor und Clusia major. Dabei kombinierte das Forschungsteam molekulare Daten mit physiologischen Messungen unter realitätsnahen Umweltbedingungen.
Vom Erbgut zur Photosynthese
Die Gattung Clusia umfasst die einzigen bekannten Bäume, die CAM betreiben und zeigt eine außergewöhnliche Bandbreite an Photosynthese – von klassischer C₃-Photosynthese, bei der Pflanzen tagsüber Kohlendioxid aufnehmen, bis zu stark ausgeprägtem CAM. Diese Vielfalt macht sie zu einem idealen Forschungsmodell für evolutionäre Übergänge zwischen verschiedenen Photosyntheseformen. Die Analysen zeigten, dass alle drei Clusia-Arten uralte Polyploide sind – ihre Genome wurden im Laufe der Evolution vervielfacht (Polyploidisierung) und anschließend über lange Zeiträume hinweg umgebaut (Diploidisierung). "Dabei gehen Genkopien verloren, werden deaktiviert oder übernehmen neue Funktionen", erklärt Erstautor Hannes Kramml von der Abteilung Molekulare Systembiologie, Department für funktionelle und evolutionäre Ökologie, an der Universität Wien. Johannes Herpell, weiterer Erstauthor der Studie, fügt hinzu: "Besonders betroffen sind Gene, die für die nächtliche CO₂-Speicherung im CAM-Stoffwechsel entscheidend sind." Studienleiter Wolfram Weckwerth erklärt: "Die Genome haben sich nicht einfach nur vervielfacht; sie wurden über Millionen von Jahren reorganisiert, reduziert und funktionell neu verdrahtet. Diese enorme Plastizität erklärt die physiologische Vielfalt des CAM in der Gattung Clusia."
CAM unter realistischen Umweltbedingungen
Um die Auswirkungen dieser genetischen Unterschiede zu untersuchen, analysierte das Team die Pflanzen im Tagesverlauf unter naturnahen Gewächshausbedingungen mit variierender Wasserverfügbarkeit. Dabei kombinierten sie physiologische Messungen mit Analysen von Genaktivität, Proteinen und Stoffwechselprodukten. Clusia rosea betreibt starkes CAM mit ausgeprägter nächtlicher Speicherung von Kohlendioxid in Form von Apfelsäure. Clusia minor aktiviert CAM vor allem unter Stressbedingungen, während Clusia major eine Mischform aus C₃-Photosynthese und CAM zeigt. Diese Unterschiede zeigen sich konsistent in Genaktivität und Stoffwechselprofilen und lassen sich mit den nun identifizierten genetischen Veränderungen in Verbindung bringen. CAM erscheint hier nicht als einmaliges evolutionäres Ereignis, sondern als Ergebnis wiederholter genomischer Umgestaltung, die es den Arten ermöglichte, sich an sehr unterschiedliche ökologische Nischen anzupassen.
Bedeutung für Landwirtschaft und Klimaresilienz
CAM-Pflanzen benötigen deutlich weniger Wasser und gelten daher als mögliche Vorbilder für klimaresistente Nutzpflanzen. Die neuen Genomdaten ermöglichen es, Stoffwechselprozesse zu identifizieren, die mit effizienter CO₂-Speicherung und hoher Wassernutzungseffizienz verbunden sind. Langfristig könnten diese Erkenntnisse dazu beitragen, Nutzpflanzen gezielter an trockene Umweltbedingungen anzupassen.
Zusammenfassung:
• Pflanzen können neben der klassischen Photosynthese auch eine wassersparende Variante nutzen, bei der CO₂ überwiegend nachts aufgenommen wird (CAM)
• Die tropische Baumgattung Clusia zeigt eine außergewöhnliche Vielfalt solcher Photosyntheseformen und ist die bisher einzig bekannte baumartige Gattung mit CAM
• Genomvervielfachung und nachfolgende genetische Umstrukturierungen stehen mit dieser Vielfalt in Zusammenhang
• Besonders betroffen sind Gene des Stärkeabbaus und der Energiebereitstellung
• Die Ergebnisse liefern Ansatzpunkte, um wassereffiziente Stoffwechselprozesse besser zu verstehen und für klimaangepasste Pflanzen zu nutzen
Über die Universität Wien:
Die Universität Wien setzt seit über 650 Jahren Maßstäbe in Bildung, Forschung und Innovation. Heute ist sie unter den Top 100 und damit den Top 4 Prozent aller Universitäten weltweit gerankt sowie in aller Welt vernetzt. Mit über 180 Studien und mehr als 10.000 Mitarbeitenden ist sie einer der größten Wissenschaftsstandorte Europas. Hier treffen Menschen aus unterschiedlichsten Disziplinen zusammen, um Spitzenforschung zu betreiben und Lösungen für aktuelle und künftige Herausforderungen zu finden. Ihre Studierenden und Absolvent*innen gehen mit Innovationsgeist und Neugierde komplexe Herausforderungen mit reflektierten und nachhaltigen Lösungen an.
Über den Forschungsverbund Umwelt und Klima an der Universität Wien:
Wolfram Weckwerth ist Professor am Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie sowie Mitglied des interdisziplinären Forschungsverbunds Umwelt und Klima (https://ech.univie.ac.at/de/) der Universität Wien (Environment and Climate Research Hub). Dieser bringt Forschende verschiedenster Disziplinen zusammen, um exzellente wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, die Lösungen für drängende Probleme wie Klimawandel, Biodiversitätsverlust und Umweltverschmutzung bieten können.
Weitere Infos:
Department of Functional and Evolutionary Ecology:
https://ecology.univie.ac.at/
Molecular Systems Biology Lab (MOSYS):
https://mosys.univie.ac.at/
Vienna Metabolomics Center (VIME):
https://metabolomics.univie.ac.at/
Univ.-Prof. Dr. Wolfram Weckwerth
Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie
Universität Wien
1030 Wien, Djerassiplatz 1
T +43-1-4277-76550
wolfram.weckwerth@univie.ac.at
Kramml et a. (2026): Clusia genomes shed light on the evolution and diversity of crassulacean Acid metabolism physiotypes. In Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-026-71958-z
https://www.univie.ac.at/aktuelles/press-room/pressemeldungen/detail/evolution-e...
Photosynthesemessung an dem Baum Clusia minor. Unter Stressbedingungen "schaltet" dieser auf eine CA ...
Copyright: Gert Bachmann
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Environment / ecology, Oceanology / climate
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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