Wie der „Diamant der Pflanzenwelt“ den Landpflanzen half, sich zu entwickeln

Wann Fu Shuang Li, ein Biochemiker und Forscher am Whitehead Institute in Cambridge, Massachusetts, Pollen für seine Forschung brauchte, wusste er genau, wohin er gehen musste. Jedes Frühjahr setzen die Pechkiefern, die Walden Pond in Concord umringen, Wolken aus goldenem Pollen frei, die das Wasser bedecken und sich in galaktischen Wirbeln gegen die Küste sammeln. Henry David Thoreau, der in den 1840er Jahren zwei Jahre am Teich lebte, schließt seinen berühmten Bericht über die Erfahrung mit der Beschreibung von so viel Pollen: „Man hätte ein Fass voll sammeln können.“

Li hockte in einem schwarzen Hoodie und einer Jogginghose am Rand des Teichs, tauchte in ein Reagenzglas und entnahm ein paar hundert Milliliter Wasser, das mit Pollen und allem, was sonst noch darin wuchs, beladen war. Es war weit davon entfernt, ein Fass voll zu sein, aber es war mehr als genug für Lis Bemühungen, die molekulare Struktur der äußeren Hülle des Pollens zu untersuchen. Das als Sporopollenin bezeichnete Material, aus dem die Schale besteht, ist so zäh, dass es manchmal als Diamant der Pflanzenwelt bezeichnet wird.

Seit mehr als einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, die chemische Grundlage für die beispiellose Stärke von Sporopollenin zu verstehen. Sporopollenin schützt die DNA in Pollen und Sporen vor Licht, Hitze, Kälte und Austrocknung. Ohne sie könnten Pflanzen nicht an Land leben. Aber die Zähigkeit von Sporopollenin machte es schwierig, es zu untersuchen, selbst Jahrzehnte nachdem die molekularen Strukturen von Zellulose, Lignin und anderen grundlegenden Pflanzenpolymeren enträtselt worden waren. „Die Natur hat Sporopollenin entwickelt, um jedem Angriff zu widerstehen“, sagte Li. „Auch von Wissenschaftlern.“

In letzter Zeit könnte die Abwehr von Sporopollenin jedoch überwunden worden sein. 2018 kamen Li und andere Forscher an die Whitehead, angeführt von der Pflanzenbiologin Jing Ke Wengveröffentlichten die erste vollständige Struktur von Sporopollenin. Nachfolgende Arbeiten des Teams, von denen einige noch nicht veröffentlicht wurden, haben weitere Details darüber geliefert, wie verschiedene Pflanzengruppen diese Struktur feinabgestimmt haben, um ihren Bedürfnissen besser gerecht zu werden. Ihre vorgeschlagene Struktur und die verbesserte Sicht auf Sporopollenin, die sie bietet, ist nicht unumstritten, aber sie hat die wesentliche Rolle des Moleküls bei der Unterstützung von Pflanzen bei der Eroberung des Landes verdeutlicht.

Das träge Rätsel

Alle Samenpflanzen bilden Pollen; andere Landpflanzen wie Moos produzieren Sporen. Pollen und Sporen, die die Hälfte der genetischen Informationen tragen, die die Pflanzen zur Vermehrung benötigen, bewegen sich mit dem Wind oder einem hilfreichen Tier durch die Umgebung, um eine andere Pflanze ihrer Art zu erreichen und ihre Eizelle zu befruchten. Doch auf dem Weg dorthin müssen Pollen und Sporen mit Gefahren fertig werden, die von Austrocknung über die UV-Strahlung der Sonne bis hin zu hungrigen Insekten reichen. Seit Pflanzen vor etwa 470 Millionen Jahren zum ersten Mal an Land Fuß gefasst haben, ist es von entscheidender Bedeutung, die genetischen Informationen in Pollen und Sporen auf ihrem Weg zur Befruchtung sicher aufzubewahren.

Die Hauptstrategie, die Pflanzen anwenden, um diese DNA zu schützen, besteht darin, sie in eine spezielle Hülle aus Sporopollenin einzuhüllen, die unempfindlich gegen die Elemente ist und zu den härtesten Materialien gehört, die von Lebewesen produziert werden. Es wurde intakt in einer halben Milliarde Jahre alten Felsen gefunden. EIN 2016 Papier fanden heraus, dass Sporen aufgrund der Robustheit von Sporopollenin ihre Stabilität in Diamantambossen bei Drücken von 10 Gigapascal oder 725 Tonnen pro Quadratzoll beibehielten.

Forscher kennen und fragen sich seit mindestens 1814 über Sporopollenin. Sie beobachteten, dass selbst nachdem der Rest eines Pollenkorns oder einer Spore chemisch aufgelöst wurde, immer eine seltsame Substanz zurückblieb. Während des größten Teils des nächsten Jahrhunderts arbeiteten diejenigen, die es in Sporen und Pollen untersuchten, separat und bezeichneten es ausschließlich als Sporonin oder Pollenin. Es wurde 1931 Sporopollenin genannt, um beide Gemeinschaften zu besänftigen.

Jahrzehntelang endete das Wissen um das Molekül danach weitgehend mit dem Namen. Die Forscher erkannten, dass Sporopollenin der Schlüssel sein könnte, um zu verstehen, wie Pflanzen fast jeden Lebensraum auf der Erde eroberten, und sie träumten davon, das Material für alles zu verwenden, von der Beschichtung von Schiffsrümpfen bis zum Schutz zerbrechlicher Proteine ​​in oralen Impfstoffen. Aber die Struktur und chemische Zusammensetzung von Sporopollenin zu erhalten, war eine Voraussetzung für jede weitere Arbeit, und Sporopollenin vereitelte jede Anstrengung.

Chemiker bestimmen normalerweise die Struktur eines komplexen Moleküls, indem sie es in seine Bestandteile zerlegen, die Struktur dieser Bestandteile finden und sie dann wieder zusammensetzen. Aber Sporopollenin war zu inert, um es mit den üblichen chemischen Mitteln zu verdauen. Ab den 1960er Jahren machten neue biochemische Methoden und Massenspektrometrie einige Fortschritte bei der Struktur und chemischen Zusammensetzung, und Biologen schlossen später sogar einige Details aus dem Wissen über die Gene und enzymatischen Prozesse, die Sporopollenin synthetisieren.

Keine dieser Methoden konnte jedoch ein vollständiges Bild des Moleküls liefern. Sporopollenin schien zwei parallele Rückgrate aus Molekülen namens Polyketide zu haben, die den Zuckerrückgraten in der Doppelhelix der DNA nicht unähnlich sind. Diese Rückgrate schienen durch ein Geflecht aus Verknüpfungen unterschiedlicher Art verbunden zu sein. Aber diese Skizze war unvollständig, und einige Erkenntnisse aus den biochemischen und genetischen Methoden widersprachen sich.

„Das Einzige, worauf sich alle geeinigt haben, war die empirische Formel für die Zusammensetzung von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff“, sagte er Josef Banoub, Professor für Chemie und Biochemie an der Memorial University of Newfoundland in Kanada.

Pitch Pine perfekt

Li begann mit der Arbeit an Sporopollenin, kurz nachdem er 2014 als Postdoc in Wengs Labor am Whitehead Institute kam. Im Cambridge-Viertel Kendall Square, wo die biomedizinische Forschung die Hauptbeschäftigung ist, ist das Labor einer der wenigen Orte, an denen Menschen Pflanzen studieren, mit einem Forschungsschwerpunkt auf der Galaxie botanischer Moleküle, die noch nicht charakterisiert sind.

Sporopollenin war eine unwiderstehliche Herausforderung für Li. Seine Funktion war bekannt, und die Gene für seine Herstellung befanden sich in jeder samen- und sporenproduzierenden Pflanze, was implizierte, dass Sporopollenin eine grundlegende Anpassung war, die es Pflanzen ermöglichte, ganz am Anfang ihrer Flucht aus den Ozeanen an Land zu leben. (Einige Algenarten stellen auch eine Sporopollenin-ähnliche Substanz her, was darauf hindeutet, dass Landpflanzen die Biosynthese dieses Moleküls während ihrer Evolution angepasst haben.) Doch die Chemie hinter dieser Fähigkeit blieb verschwommen.

Es wäre poetisch gewesen, wenn Lis frühe Arbeit über Sporopollenin Pollen verwendet hätte, die aus den Gewässern von Walden Pond gesammelt wurden. Aber Convenience trumpfte vor Romantik: Die Pollen, die sein Team zunächst untersuchte, wurden bei Amazon bestellt. (Pollen von Pechkiefern, die das Zeug reichlich produzieren, werden weithin als Nahrungsergänzungsmittel verkauft.) Der Rest kam von Cape Cod.

Monatelang führten Li und seine Mitarbeiter Trial-and-Error-Tests an Verbindungen durch, die andere zähe Biopolymere abbauen können. Schließlich entwickelten sie ein neues mehrstufiges Verfahren, mit dem Pollenproben entnommen, in einer Kugelmühle zerkleinert und die enthaltenen Sporopollenin-Moleküle chemisch aufgebrochen werden können. Die Hälfte jedes Moleküls zerfiel in sechs verschiedene Teile, die dann durch Massenspektrometrie charakterisiert werden konnten.

Die andere Hälfte des Moleküls, die sie R-Gruppe (für „widerspenstig“) nannten, zerfiel erst, als sie mit einem anderen Lösungsmittel gemischt wurde. Sie konnten sich auf diese Weise einen Teilblick auf R verschaffen, aber der Prozess verschlechterte andere Merkmale des Moleküls, sodass Lis Gruppe auf eine exotischere Technologie zurückgriff, die Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie, um es zu charakterisieren.

Blumen machten einen Unterschied

Die Frucht dieser Arbeit, ein Papier veröffentlicht Nature Plants schlugen im Dezember 2018 die bisher vollständigste molekulare Struktur von Sporopollenin vor.

Im Gespräch benutzte Li seine Hände, um die komplizierte Form der Struktur zu beschreiben. Mit Daumen und Zeigefinger zeigte er, wie aromatische Moleküle in abwechselnden L-Formen vom Rückgrat herunterhängen. Er demonstrierte, wie das Rückgrat mit den Querverbindungen verbunden ist, indem er eine abgeflachte Hand in einem Winkel in die andere zeigte, als würde er sich auf eine seltsame Form des Gebets einlassen. Diese Grundeinheiten bilden zusammen die vollständige Exine-Hülle, die in verschiedenen Pflanzen radikal unterschiedliche Formen annimmt, obwohl die grundlegenden molekularen Untereinheiten grundsätzlich ähnlich sind.

Die Struktur bestätigte die Vorstellung, dass die Winterhärte von Sporopollenin aus den vielfältigen, geflochtenen Verbindungen zwischen den Hauptketten herrührt. Diese Ester- und Etherbindungen sind gegenüber basischen bzw. sauren Bedingungen beständig; zusammen widerstehen sie beiden. Die von Lis Gruppe vorgeschlagene Struktur umfasste auch mehrere aromatische Moleküle, von denen bekannt ist, dass sie gegen ultraviolettes Licht resistent sind, was für die Fähigkeit von Sporopollenin verantwortlich ist, DNA vor den Elementen zu schützen.

„Ohne diese Stoffwechselinnovationen hätten Pflanzen gar nicht erst vom Wasser ans Land wandern können“, schreibt Weng in einer E-Mail an Quanten.

Kürzlich verwendeten Li und seine Kollegen ihre Methode, um Sporopollenin von mehr als 100 verschiedenen Landpflanzenarten zu charakterisieren, die in botanischen Gärten im Nordosten der Vereinigten Staaten gesammelt wurden. Laut Li, der sich darauf vorbereitet, die Ergebnisse der Studie zur Veröffentlichung einzureichen, variiert die Struktur von Sporopollenin in einem merkwürdigen Muster zwischen den Pflanzenarten.

Sie fanden heraus, dass Gymnospermen, die Landpflanzengruppe, zu der Palmfarne und Nadelbäume wie Pechkiefern gehören, und die sogenannten niederen Landpflanzen wie Moose und Farne dazu neigen, lange, ähnliche Sporopollenine zu haben. Das ist sinnvoll, weil diese Pflanzen ihre Pollen wohl oder übel mit dem Wind verbreiten; sie brauchen langkettiges Sporopollenin, um es zu schützen.

Bei Angiospermen oder Blütenpflanzen ist die Situation jedoch komplexer. Ihre Blüten schützen ihren Pollen vor Sonne und Austrocknung, und Insekten transportieren Pollen effizient von Blume zu Blume, wodurch die Exposition gegenüber anderen Risiken minimiert wird. Folglich brauchen Angiospermen ihr Sporopollenin nicht, um so gleichmäßig robust zu sein.

Und die Herstellung von langkettigem Sporopollenin sei ein energieintensiver Prozess, sagte Li. „Als sich die Blumen entwickelten, wollten sie kein kiefernartiges Sporopollenin mehr produzieren.“ Laut Li und Weng scheinen sich signifikante Unterschiede zwischen den Sporopolleninen entwickelt zu haben, die von den beiden Hauptkategorien von Angiospermen, Monokotylen und Dikotylen, produziert werden, die sich in den Strukturen ihrer Embryonen, Gefäßsysteme, Stängel, Wurzeln und Blüten unterscheiden.

Natürlich sind die Unterschiede nicht absolut. Einige Blütenpflanzen produzieren Sporopollenin mit einer kiefernartigen Struktur, sagte Li. „Vielleicht könnten sie ihre Funktion verlieren, wenn wir weitere 6 Millionen Jahre hätten“, oder vielleicht spielen andere ökologische Kontrollen und Gleichgewichte eine Rolle, die diese Sporopollenin-Struktur für bestimmte Pflanzengruppen bewahren.

„Evolution ist keine Linie“, sagte Li. „Wie die Wale. Einmal lebten sie an Land; jetzt leben sie im Ozean.“ Dennoch haben Wale immer noch einige Merkmale von Landtieren. Vielleicht behalten manche Blütenpollen veraltete Spuren ihrer eigenen Geschichte.

Das mysteriöse Polymer

Andere Pflanzenforscher stimmen darin überein, dass Li und Wengs strukturelle Arbeit an Sporopollenin unser Wissen über das Molekül verbessert hat. Aber nicht alle sind davon überzeugt, dass ihr Vorschlag richtig ist oder dass er die jahrhundertelange Suche nach der Struktur von Sporopollenin abschließt.

„Es war viel klarer als zuvor“, sagte er Zhong-Nan Yang, ein Biologe, der Sporopollenin an der Shanghai Normal University studiert. "Aber es muss überprüft werden." Er sagte, dass Li und seine Kollegen noch die Gene identifizieren müssten, die für die Enzyme verantwortlich sind, die benötigt werden, um bestimmte Merkmale von Kiefern-Sporopollenin herzustellen.

A 2020 Studie mit dem Ziel, die molekulare Struktur von Sporopollenin zu „entmystifizieren und zu enträtseln“, stellte eine direktere Herausforderung dar. Unter Verwendung einer Fülle von Methoden und der Arbeit an Sporopollenin aus Bärlapp anstelle von Kiefer gelangte Banoubs Gruppe an der Memorial University zu einer Struktur, die sich in mehreren wichtigen Punkten von der von Li und Weng vorgeschlagenen unterschied. Am wichtigsten sagte Banoub: „Wir haben bewiesen, dass das Sporopollenin keine aromatischen Verbindungen enthält.“ Die Ungleichheit, so glaubt er, könnte durch Unterschiede zwischen Sporopollenin in Kiefer und Bärlapp erklärt werden.

„Meine persönliche Meinung ist, dass sie nicht korrekt sind“, sagte Li, aber er zieht es vor, sich nicht weiter zu äußern, bis einige relevante Ergebnisse aus seinem Labor zur Veröffentlichung bereit sind.

„Es ist immer noch ein ziemlich mysteriöses Polymer“, kommentierte Teagen Quilichini, ein Pflanzenbiologe am kanadischen National Research Council, der dies getan hat studierte Sporopolleninin einer E-Mail. "Ungeachtet dessen, was einige Berichte vermuten lassen.“

Zäh, aber trotzdem essbar?

Ungeachtet der Kontroversen über ihre Struktur für Sporopollenin sind Li und andere im Weng-Labor zu einer anderen evolutionären Frage übergegangen: Hat die Natur herausgefunden, wie sie dieses nahezu unzerstörbare Material, das sie zusammengesetzt hat, auseinandernehmen kann?

Als er auf der Suche nach anderen pollenüberzogenen Buchten um den Walden Pond wanderte, verglich Li Sporopollenin mit Lignin, dem Pflanzenpolymer, das Holz und Rinde stärkt. Nachdem sich Holzpflanzen vor etwa 360 Millionen Jahren zum ersten Mal entwickelt haben, zeigen die geologischen Aufzeichnungen eine Fülle von versteinertem Lignin in Schichten über mehrere zehn Millionen Jahre. Dann verschwindet plötzlich vor etwa 300 Millionen Jahren das Lignin. Sein Verschwinden markiert den Moment, in dem ein Pilz namens Weißfäule Enzyme entwickelt hat, die Lignin abbauen können, und viel davon gefressen hat, bevor es versteinern konnte.

Sporopollenin, überlegte Li, muss auch einen Pilz oder eine andere Mikrobe haben, die in der Lage ist, es abzubauen. Sonst würden wir in dem Zeug ertrinken. Lis Berechnungen auf der Rückseite des Umschlags gehen davon aus, dass jedes Jahr 100 Millionen Tonnen Sporopollenin in den Wäldern produziert werden. Dabei ist das von Gräsern produzierte Sporopollenin noch nicht einmal berücksichtigt. Wenn nichts es frisst, wohin geht es dann?

Aus diesem Grund entschied sich Li, als Quelle für seine neueste Pollenprobe, zugunsten eines Tages am Walden Pond auf Amazon Prime zu verzichten. Beobachtungen seines Teams deuten darauf hin, dass einige in Petrischalen gezüchtete Mikroorganismen überleben können, wenn sie nur mit Sporopollenin und Stickstoff gefüttert werden. Proben aus Walden, die von Natur aus voll von mikrobiellen Gemeinschaften im See sind, sollten Li dabei helfen festzustellen, ob Populationen von Pilzen und anderen Mikroben in freier Wildbahn die Nährstoffe in den scheinbar unzerbrechlichen Molekülen von Sporopollenin freisetzen können.

Als wir Seetang und Müsliriegel am Rand des Teichs naschen, war es leicht, die ganze Situation aus der Perspektive der Pilze zu sehen. Die Natur hasst es, eine Mahlzeit zu verschwenden – selbst eine, die so schwer zu kauen ist.