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Forschungsarbeit

Biologie und Systematik der karnivoren Pflanze Genlisea

Von Dr. Andreas Fleischmann (06.06.2013)

Genlisea ist eine eher wenig bekannte Gattung von kleinen karnivoren (Fleisch fressenden) Pflanzen aus der Familie der Wasserschlauch-Gewächse (Lentibulariaceae), die in nährstoffarmen, feuchten Savannen- und Moorhabitaten in Südamerika und dem tropischen Afrika vorkommt. Derzeit sind 29 Arten bekannt, wovon einige im Rahmen meiner Forschungsarbeit neu entdeckt, und erstmals wissenschaftlich beschrieben und dokumentiert wurden. 

Seit der Entdeckung der ersten Exemplare in Brasilien vor über 200 Jahren blieb Genlisea eine der am wenigsten untersuchten und dokumentierten karnivoren Pflanzen, obwohl bereits Charles Darwin 1875 zeigen konnte, dass es sich um eine karnivore Pflanze mit komplexen, unterirdischen Fangorganen handelt. Der genaue Fangmechanismus jedoch, sowie das Beutespektrum der Pflanzen, blieben lange Zeit unbekannt. Genlisea-Pflanzen bilden neben gewöhnlichen grünen Blättern zur Photosynthese auch unterirdische, chlorophyllfreie Blätter aus, die die fehlenden Wurzeln der Pflanze ersetzen, und nebenbei auch noch als karnivore Fallen funktionieren: die Blätter sind hohle, enge Röhren, die an ihrer Spitze in zwei Äste gespalten sind, jeder dieser Äste ist Korkenzieher-artig spiralig verdreht und damit fest im schlammigen, weichen Substrat verankert. Entlang dieser spiraligen Äste befinden sich viele kleine Öffnungen, durch welche Bodenorganismen – meist mikroskopisch kleine Tiere, wie Fadenwürmer (Nematoden), Milben, Springschwänze, Kleinkrebse, aber auch Einzeller (Protozoen) und Algen – ins Innere der Fallenblätter gelangen können. Im Inneren dieser engen Röhren verhindern nun zahlreiche, in Serie angelegte Reusen von nach hinten gerichteten, steifen Haaren, dass die Beute wieder entkommen kann: sie ermöglichen zwar ein einfaches und problemloses Vorankommen nach vorne, in den oberen Teil des Fallenblattes, versperren aber beim Versuch des Zurückkriechens den Rückweg. Der Mechanismus dieser karnivoren Falle kann mit der Wirkungsweise einer Fischreuse verglichen werden. Der aufgezwungene Weg ins Innere des Fallenblattes führt die Beuteorganismen unweigerlich ins obere Ende der Röhre, wo diese in einen verbreiterten, kugeligen Teil ohne Sperrhaare mündet. Die Innenwand dieses Bereiches ist dicht mit Verdauungsdrüsen besetzt, die proteolytische Enzyme zur Zersetzung der Beute ausscheiden, und anschließend die daraus gelösten Nährstoffe aufnehmen. Man kann diesen Teil des Fallenblattes also durchaus mit einem Magen vergleichen. 

Fleischmann: Abb. 1[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1.: Die Blüten von Genlisea aurea, einem Wasserschlauchgewächs, am Naturstandort in Brasilien. Diese karnivore Pflanze besitzt erstaunlicherweise die kleinste Genomgröße aller Blütenpflanzen.

Dass die Beuteorganismen nicht nur passiv in die Öffnungen der Fallenblätter kriechen, sondern von der Pflanze mit einem leichten Wasserstrom aktiv eingesaugt werden, konnte ich bei Untersuchungen von lebenden Pflanzen in Kultur erstmals nachweisen. Auch das genaue Beutespektrum vieler Arten wurde von mir während ökologischer Studien am Naturstandort in Südamerika (Brasilien und Venezuela) und Afrika (Sierra Leone, Sambia und Südafrika) eingehend untersucht. Daneben konnte ich erstmals Beobachtungen zur Bestäubungsbiologie machen. All diese Daten wurden von mir in einer Monographie der Gattung Genlisea zusammengefasst, die Ende dieses Jahres in Buchform erscheint.

Ein weiterer Fokus meiner Arbeit war es, die Verwandtschaft und Evolution der einzelnen Arten dieser Gattung zu ermitteln. Dies wurde mittels der molekulargenetischen Methode von DNA-Sequenzvergleich durchgeführt. Anhand von phylogenetischen Stammbaumrekonstruktionen konnte gezeigt werden, dass die Gattung Genlisea ihren Ursprung in Südamerika, im zentralen Hochland von Brasilien hat, von wo aus eine Besiedelung des tropischen Afrikas durch Fernverbreitung (zum Beispiel durch Verschleppung der kleinen Samen über Vögel oder Stürme) stattfand. Eine Radiation hat dort zu schneller Artbildung und Besiedelung von West- und Zentralafrika geführt. Interessanterweise gelangte eine Entwicklungslinie der afrikanischen Gruppe nun – durch ein zweites Fernverbreitungsereignis – wieder zurück nach Südamerika, wo es erneut zu einer Radiation mit Artbildung kam, neben den dort vorkommenden, ursprünglich heimischen „Ahnen“. Diese bidirektionale, transatlantische Migration ist bisher bei Pflanzen einmalig, allerdings sind für zahlreiche andere Pflanzengruppen bereits Fernverbreitungen über den Atlantik hinweg (von oder nach Südamerika) bekannt, wenn bisher auch nur jeweils in eine Wanderungsrichtung.

Fleischmann: Abb. 2[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2. Die Fallenblätter von Genlisea, mit gegabeltem, spiralig gedrehtem Eingangsteil, dem röhrenförmigen Reusenteil, welcher zum blasenförmigen „Magen“ am oberen Ende des unterirdischen Blattes führt.

Im Jahr 2006 rückte die kleine Gattung Genlisea stärker in den Fokus der Wissenschaft, als entdeckt wurde, dass einige ihrer Vertreter die bisher kleinste bekannte Genomgröße im Pflanzenreich besitzen. Die Genomgröße bezeichnet den gesamten Inhalt an genetischem Material (Erbgut) innerhalb einer Zelle, also die gesamte gespeicherte genetische Information eines Organismus. Diesen Wert kann man als Anzahl an Basenpaaren, die diese Information kodieren, messen und vergleichen (meist angegeben in Megabasenpaaren – Mbp). Interessanterweise korreliert die Genomgröße nicht mit der Organisationsstufe oder Komplexizität eines Organismus – so haben einzellige Hefen, oder einige Pflanzenarten, zwar eine kleinere Genomgröße als der Mensch, viele Pflanzen dagegen aber eine deutlich größere. Genlisea, die innerhalb des Stammbaums der Pflanzen zu einer entwicklungsgeschichtlich sehr jungen Linie gehört, hat nun überraschenderweise das kleinste bekannte Genom innerhalb aller Blütenpflanzen. In meinen momentan laufenden Forschungsarbeiten vergleiche ich die Genomgröße und Chromosomenzahl aller Arten von Genlisea, wobei deutlich wird, dass innerhalb der Gattung im Laufe der Evolution zu einer ernormen Genomreduktion („Datenkomprimierung“) gekommen sein muss, die auch noch mit einer Minimierung der Chromosomengröße, aber gleichzeitiger Erhöhung der Chromosomenzahl einhergeht. In Zusammenarbeit mit Forschungspartnern in Wien und New Jersey wurde das Gesamtgenom von Genlisea aurea sequenziert, der Art mit der kleinsten bisher gefundenen Genomgröße, um hinter die molekularen Grundlagen dieser Reduktion zu kommen.


Wissenschaftlicher Werdegang
  • 2005 - 2006
  • Diplomarbeit „Molekulare Phylogenie, Biogeographie und morphologische Diversität der Gattung Heliamphora Benth. (Sarraceniaceae)“ (LMU München, Systematische Botanik)
  • 2008 - 2012
  • Doktorarbeit: „Phylogenetic relationships, systematic, and biology of carnivorous Lamiales, with special focus on the genus Genlisea (Lentibulariaceae)”
  • seit 2012
  • Post-Doc und Habilitationsvorhaben an der LMU München, wissenschaftliche Assistentenstelle

Publikationen (Auszug)
  • * Fleischmann, A. (2012). Monograph of the genus Genlisea. Redfern Natural History Productions Ltd., Poole. 727 pp.
  • * Fleischmann, A. (2012). The new Utricularia species described since Peter Taylor's monograph. Carnivorous Plant Newsletter 41: 67-76.
  • * Fleischmann, A., Grande, J.R. (2011). Taxonomía de Heliamphora minor Gleason (Sarraceniaceae) en el Auyán-tepui, incluyendo una nueva variedad. Acta Botánica Venezuelica 34: 1-11.