Schmuckalgen: Vielzelligkeit entstand wohl mehrfach

Mehrzelliges Wachstum entstand bei den Schmuckalgen offenbar nicht in einem einzigen Schritt, sondern mehrfach und unabhängig voneinander. Darauf deutet die Analyse eines Teams der Universität Göttingen hin, das 43 neue Transkriptome dieser Algengruppe sequenziert und zusammen mit bereits vorhandenen Daten ausgewertet hat. Die Schmuckalgen (Zygnematophyceae) gelten als die nächsten lebenden Verwandten der Landpflanzen. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift PLOS Biology erschienen.

Der Gruppe gehören zahlreiche Arten an, die nur aus einer einzelnen Zelle bestehen. Traditionell galten andere Algenlinien mit komplexerem Körperbau als die engsten Verwandten der Landpflanzen; dass es die schlicht gebauten Schmuckalgen sind, kam zunächst überraschend. Die Frage, wie die Algen aussahen, aus denen sich die ersten Landpflanzen entwickelten, steht am Ausgangspunkt der Arbeit.

Je mehr Daten das Team einbeziehe, desto deutlicher werde, dass die Evolution kein einfacher Übergang von einzelligen Algen zu immer komplexeren Pflanzen war, sagt Jan de Vries von der Abteilung für Angewandte Bioinformatik der Universität Göttingen. Verschiedene Abstammungslinien hätten stattdessen über Hunderte Millionen Jahre mit unterschiedlichen Körperbauplänen und molekularen Lösungen experimentiert.

Methode: 43 neue Transkriptome und ein großer Stammbaum

Die Forschenden erzeugten 43 neue Transkriptome. Das sind Sammlungen der Gene, die in den Zellen gerade aktiv sind. Die Stämme decken eine breite Artenvielfalt der Gruppe ab. Das Team ergänzte die neuen Daten um frei verfügbare Sequenzen. Auf Grundlage von insgesamt 104 Transkriptomen und 2243 Genorten berechnete das Team einen phylogenomischen Stammbaum. Ein phylogenomischer Stammbaum leitet Verwandtschaftsverhältnisse nicht aus einzelnen Merkmalen, sondern aus großen Mengen an Erbgutdaten ab.

Der Datensatz umfasst nach Angaben der Universität Göttingen mehr als 100 Arten und 2.000 Gene. Erst eine Stichprobe, die die Vielfalt der Gruppe abbildet, ließ nach Angaben der Autorinnen und Autoren Muster erkennen, die in früheren Arbeiten verborgen blieben. Bislang lagen Genomsequenzen nur für wenige ausgewählte Vertreter der Gruppe vor.

Zwei Ordnungen spielen für die Ergebnisse eine besondere Rolle: die Spirogyrales und die einzelligen Desmidiales. Zusätzlich untersuchte das Team, wie Gene aus dem Erbe der Landpflanzen in der Gruppe verteilt sind. Gemeint sind Gene, die ein Werkzeugset für typische Merkmale von Landpflanzen bilden.

Ergebnisse: Tiefe genetische Gliederung, parallele Vielzelligkeit

Der Stammbaum zeigt nach Angaben der Autoren eine tiefe genetische Gliederung der Schmuckalgen. Die Spirogyrales und die einzelligen Desmidiales trennten sich früh voneinander. Die meisten Spirogyrales entstanden jedoch erst nach einer ausgeprägten genetischen Auseinanderentwicklung. Diese ging mit dem Erwerb der Mehrzelligkeit und mit besonderen Merkmalen wie einer eigenen Zell- und Plastidenteilung einher.

Aus den Daten lesen die Forschenden außerdem Spuren massiver Radiationen ab, also von Phasen, in denen sich aus wenigen Vorfahren in kurzer Zeit viele Arten entwickelten. Sie liegen weit in der Vergangenheit. Gemeinsam sei den Linien, dass ihre Entwicklung wahrscheinlich von einer einzelligen Alge ausging.

Bei einzelnen Genfamilien finden sich je nach Ordnung unterschiedliche Muster von Verlust und Vermehrung. Das gilt etwa für Gene des Pflanzenhormon-Signalwegs der Abscisinsäure (PYR/PYL/RCAR). Sie fanden sich nur in zwei der fünf Ordnungen, den Serritaeniales und Zygnematales. In anderen Ordnungen wurden sie nicht entdeckt, was nach Angaben der Autoren aber noch mit besseren Genomen bestätigt werden muss. Auch für Gene der Cinnamylalkohol-Dehydrogenase (CAD) zeigt sich ein vielfältiges Bild. Keine der CAD-Varianten der Schmuckalgen fällt in die Gruppen der Landpflanzen. Sie bilden mehrere eigene Linien mit jeweils vielen Varianten. Welche Stoffe diese Enzyme umsetzen, muss nach Angaben der Autoren erst im Experiment geklärt werden.

„Dank der vielfältigen Zygnematophyten können wir komplexe Evolutionsprozesse erkennen, die uns verborgen blieben, wenn wir nur eine Handvoll Modellarten untersuchen würden“, sagt Maaike Bierenbroodspot, die die Arbeit im Rahmen ihrer Promotion in Göttingen durchführte und heute an der Universität Maastricht forscht. Cäcilia Kunz von der Göttinger Abteilung für Angewandte Bioinformatik betont, einige molekulare Komponenten, die wichtige Pflanzenfunktionen steuern, hätten eine weitaus längere Evolutionsgeschichte als die Landpflanzen selbst.

Einordnung

Dass die Schmuckalgen die nächsten Verwandten der Landpflanzen unter den Algen sind, kommt laut Studie in allen großen phylogenomischen Arbeiten als Ergebnis heraus. Traditionell galten andere Streptophyten-Algen, etwa mit den Gattungen Chara und Coleochaete, als engste Algenverwandte, weil ihr Körperbau komplexer ist. Diese Komplexität ist laut der Studie bei den Charophyceae und den scheibenförmigen Coleochaete-Arten vermutlich das Ergebnis sekundärer Neuerwerbungen.

Eine Übersichtsarbeit unter Beteiligung von Maaike Bierenbroodspot aus dem Jahr 2024 im Fachblatt Annals of Botany beschreibt, dass die Streptophyten vor etwa einer Milliarde Jahren entstanden. Neben den Landpflanzen gebe es wahrscheinlich mehr als 5000 Arten von Streptophyten-Algen, die eine paraphyletische Abfolge neben den Landpflanzen bilden. Die Arbeit hält fest, dass neue phylogenomische Daten den Blick auf die Entstehung wichtiger Merkmale verändert haben. Als Beispiel nennt sie Signalnetzwerke, die mit mehrzelligem Wachstum verknüpft sind.

Eine Übersicht von 2020 im Journal of Experimental Botany hält fest: Von den 8883 in AlgaeBase registrierten Taxa der Schmuckalgen sind weltweit nur rund 8,3 Prozent in Kultur. Dort wird auch betont, dass sich leicht kultivierbare und genetisch veränderbare Modellorganismen besser eignen würden, um den Landgang der Pflanzen zu verstehen.

Die Autoren schreiben, die gemeinsame Ausstattung von Landpflanzen und Schmuckalgen lasse sich wegen Genverlusten und Abweichungen nur mit einem vielfältigen Datensatz fassen. Sie verweisen zugleich auf den Bedarf an weiteren Genomsequenzierungen.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um eine phylogenomische Studie auf Basis von Transkriptomen, die Verwandtschaft aus Genaktivitäten rekonstruiert; sie ist als Fachartikel in PLOS Biology erschienen.
• Die Datenbasis umfasst 104 Transkriptome und 2243 Genorte, davon 43 neu sequenzierte.
• Untersucht wurden Algen im Labor, keine Menschen oder Tiere; die Ergebnisse beschreiben Evolution, keine Anwendungen.
• Gefördert wurde die Arbeit unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Europäischen Forschungsrat. Nach eigener Angabe haben die Autorinnen und Autoren keine Interessenkonflikte.
• Die Studie deckt nur einen kleinen Teil der mehr als 4.000 beschriebenen Arten ab.
• Die Herkunft der Mehrzelligkeit aus einzelligen Vorfahren ist nach Angaben der Forschenden wahrscheinlich. Die Studie stützt sich überwiegend auf Transkriptomdaten, Genverluste müssen mit vollständigen Genomen bestätigt werden.

Offene Fragen

Der Datensatz erfasst nur einen Bruchteil der Vielfalt von mehr als 4.000 Arten, darunter die besonders artenreichen Desmidiales und schwer kultivierbare Arten aus extremen Lebensräumen. Das Verständnis dieser Vielfalt sei entscheidend, um die Biologie der Vorfahren der Landpflanzen zu rekonstruieren, sagt Jan de Vries.

Ungeklärt bleibt außerdem, welche Funktion einzelne Gene der Algen haben. Bei den CAD-Enzymen etwa muss erst im Experiment geprüft werden, welche Stoffe sie umsetzen und wie schnell.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Das Erbe der Landpflanzen“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 04.11.2026
• Übersichtsarbeit: Phylogeny and evolution of streptophyte algae, Annals of botany (2024). Quelle, abgerufen am 04.11.2026
• Übersichtsarbeit: Zygnematophyceae: from living algae collections to the establishment of future models, Journal of experimental botany (2020). Quelle, abgerufen am 04.11.2026

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