Wie Pflanzen verrotten: Neue Methode entschlüsselt verborgene Zersetzer von Holz und Blatt

FRANKFURT. Wenn ein Baum stirbt, wird er zur Grundlage für neues Leben: In einem langsamen, unsichtbaren Prozess werden Blätter, Holz und Wurzeln nach und nach zersetzt – nicht von Wind und Wetter, sondern von Abermillionen kleinster Lebewesen. Pilze durchziehen das Totholz mit feinen Fäden und bauen Zellwände ab. Winzige Tiere wie Insektenlarven oder Milben nagen sich durch das Gewebe. Und dabei geschieht etwas Entscheidendes: Der in der Pflanze gespeicherte Kohlenstoff wird freigesetzt und steht letztlich wieder Pflanzen zur Photosynthese zur Verfügung. Doch wer genau übernimmt diese Aufgabe im globalen Kohlenstoffkreislauf? Und welche molekularen Werkzeuge nutzen die Organismen dafür? Um diese Fragen beantworten zu können, haben die Forschenden eine neue bioinformatische Methode entwickelt, über die sie jetzt in Molecular Biology and Evolution berichten.

18.000 Arten unter der Lupe

Diese Methode namens fDOG (Feature architecture-aware directed ortholog search) ermöglicht es, die Erbsubstanz verschiedener Organismen nach Genen zu durchsuchen, die aus demselben Vorläufergen hervorgegangen sind. Bei diesen so genannten „Orthologen“ geht man davon aus, dass sie Proteine ähnlicher Funktion kodieren. Für die aktuelle Studie suchten die Wissenschaftler*innen nach Genen für Enzyme, die pflanzliche Zellwände abbauen können, sogenannte Plant Cell Wall-Degrading Enzymes (PCDs). Anders als bisherige Verfahren durchsucht fDOG nicht nur große Mengen an Genomdaten, sondern analysiert zusätzlich die Architektur der gefundenen Proteine – also den strukturellen Aufbau, der viel über die Funktion eines Enzyms verrät.

„Wir starten mit einem Gen einer Art, dem sogenannten Seed, und können dann zehntausende Arten nach orthologen Genen durchforsten“, erklärt Ingo Ebersberger, Professor für angewandte Bioinformatik an der Goethe-Universität. „Dabei behalten wir stets im Blick, ob sich die gefundenen Gene möglicherweise in Funktion und Struktur von dem Seed unterscheiden – etwa durch den Verlust einzelner Bereiche, die die für Funktion bedeutsam sind.“

Mit dieser Methode durchsuchte das Forschungsteam mehr als 18.000 Arten aus allen drei Domänen des Lebens – also Bakterien, Archaeen und Eukaryoten (Pflanzen, Tiere Pilze) – nach über 200 potenziellen PCD-Kandidaten. Das Ergebnis: Eine detaillierte globale Karte der Fähigkeit zum Abbau der pflanzlichen Zellwand – mit bisher unerreichter Genauigkeit.

Überraschende Entdeckungen bei Pilzen und Tieren

Die Forschenden entwickelten spezielle Visualisierungsverfahren ein, um die großen Datenmengen auszuwerten und Muster sichtbar zu machen. Im Reich der Pilze zeigten sich dabei charakteristische Veränderungen im Enzym-Repertoire, die darauf hindeuten, wie sich der Lebensstil bestimmter Pilzarten verändert hat: Von einem zersetzenden Lebensstil – also dem Abbau toter Pflanzen – zu einem parasitischen Lebensstil, bei dem sie lebende Tiere befallen. Solche evolutionären Übergänge spiegeln sich in charakteristischen Mustern des Enzymverlusts und -gewinns wider.

Im Tierreich gab es eine besondere Überraschung: Einige Gliederfüßer besitzen ein unerwartet breites Spektrum an zellwandabbauenden Enzymen. Diese Enzyme stammen wahrscheinlich ursprünglich von Pilzen und Bakterien und gelangten durch die direkte Übertragung von Genen zwischen verschiedenen Organismen – also horizontalen Gentransfer – in das Erbgut der Wirbellosen. Das deutet darauf hin, dass sie möglicherweise eigenständig pflanzliches Material abbauen können – und nicht auf die Bakterien in ihrem Darm angewiesen sind, wie bisher angenommen. In einem weiteren Fall stellte sich allerdings heraus, dass die potenziellen PCD-Gene in der analysierten Sequenz auf eine mikrobielle Kontamination zurückzuführen waren – ein wichtiger Hinweis darauf, wie sorgfältig solche Daten geprüft werden müssen.

Neue Einblicke in den globalen Kohlenstoffkreislauf

Die Studie zeigt, wie sich mit fDOG biologische Fähigkeiten systematisch über den gesamten Lebensbaum hinweg erfassen lassen – von großräumigen Übersichten bis hin zu detaillierten Untersuchungen einzelner Arten. Die Methode ermöglicht es, sowohl evolutionäre Veränderungen zu verfolgen als auch bisher übersehene Akteure im globalen Kohlenstoffkreislauf zu identifizieren. Da Böden große Mengen an abgestorbenem Pflanzenmaterial enthalten und damit den größten irdischen Kohlenstoffspeicher darstellen, ist der Abbau von Pflanzenmaterial ein wichtiger Treiber des globalen Kohlenstoffkreislaufs. „Unsere Methode gibt uns einen völlig neuen Blick darauf, wie sich Stoffwechsel-Fähigkeiten über den Lebensbaum verteilen", so Ebersberger. „Wir können nun in verschiedenen Maßstäben analysieren und dabei sowohl jüngste evolutionäre Veränderungen als auch große Muster erkennen."