Urgestein der Pflanzen: Palmfarne stehen heute auf vielen Fensterbänken, doch den wenigsten dürfte bekannt sein, dass die Geschichte dieser Pflanzen fast 300 Millionen Jahre zurückreicht. Dass einige Arten bis in die Neuzeit hinein überleben konnten, haben sie wahrscheinlich der Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien zu verdanken, wie Forschende nun herausgefunden haben. Dieses Bündnis erlaubte es den urzeitlichen Pflanzen, auch auf nährstoffarmen Böden zu gedeihen und so der Konkurrenz zu Blütenpflanzen auszuweichen, wie das Team in „Nature“ berichtet.
Palmfarne – wissenschaftlich auch Cycadeen beziehungsweise Cycadales genannt – gelten als beliebte Garten- und Zimmerpflanzen. Zwar muten sie mit ihrem palmenartigen Stamm und den farnartigen Blättern durchaus urzeitlich an, doch den wenigsten dürfte bewusst sein, wie weit die Geschichte ihres grünen Mitbewohners tatsächlich zurückreicht. Denn die ersten Palmfarne wuchsen bereits im frühen Perm vor rund 300 Millionen Jahren.
Später dienten die urtümlichen Pflanzen dann den Dinosauriern als Futterquelle. Zu dieser Zeit waren die Palmfarne weltweit verbreitet und bildeten das Unterholz zahlreicher Wälder. Im Laufe der Zeit verschwanden sie allerdings und nur wenige Arten konnten sich bis in die Neuzeit retten. Doch wie gelang ihnen das?
Neuer Blick in die Vergangenheit der Palmfarne
Alle heute noch in den Tropen und Subtropen wachsenden Palmfarne haben eine Gemeinsamkeit: Ähnlich wie einige Blütenpflanzen stehen sie in einer Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien, die in ihren Wurzeln leben. Diese Knöllchenbakterien ziehen für die Palmfarne Stickstoff aus der Atmosphäre und machen ihn biologisch nutzbar, wofür sich die Pflanzen mit Zucker revanchieren, den sie bei der Photosynthese hergestellt haben. Auf diese Weise können die Palmfarne auch auf nährstoffarmen Böden mit niedrigem Stickstoffanteil gedeihen.
Doch war es wirklich diese Strategie, die einigen Palmfarnen den Weg in die Neuzeit ebnete? Um das herauszufinden, haben Forschende um Michael Kipp von der University of Washington die fossilen Überreste verschiedener Arten untersucht. In die Analyse flossen insgesamt 178 Fossilien aus zwölf Fundorten ein, die sich von der Antarktis bis hinauf nach Grönland erstreckten. Die ältesten Palmfarn-Exemplare stammten aus einer Zeit vor 250 Millionen Jahren, die jüngsten wuchsen vor 20 Millionen Jahren.
Indem Kipp und seine Kollegen jeweils das Stickstoffisotopenverhältnis der Blätter ermittelten, konnten sie herausfinden, ob die verschiedenen Palmfarne einst Stickstoff aus dem Boden oder aus der Symbiose mit Einzellern gewannen. Anhand dieser Daten ließ sich schließlich aufdecken, ob es wirklich die Art der Stickstoffgewinnung war, die bei den Palmfarnen über Leben und Aussterben entschied.
Symbiose sicherte Überleben
Und tatsächlich: Alle Palmfarn-Arten, die heute als ausgestorben gelten, setzten einst auf die Stickstoffgewinnung direkt aus dem Boden, wie Kipp und sein Team berichten. „In den wenigen fossilen Proben, die von überlebenden Stämmen stammen und mit 20 bis 30 Millionen Jahren nicht so alt sind, sehen wir jedoch die gleiche Stickstoffsignatur wie heute“, so Kipp. Diese Palmfarne könnten demnach von einer Symbiose mit Bakterien profitiert haben. Die Palmfarne ohne Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien starben dagegen aus.
Aber warum machte es überhaupt einen so großen Unterschied, aus welcher Quelle die verschiedenen Palmfarne ihren Stickstoff bezogen? Der Grund könnte in der zunehmenden Konkurrenz zu den Blütenpflanzen gelegen haben, die gegen Ende des Dinosaurier-Zeitalters zur dominierenden Pflanzengruppe aufgestiegen waren, wie die Forschenden vermuten. Auch heute noch konkurrieren Nacktsamer (Gymnospermen) wie Nadelbäume oder Palmfarne mit den Blütenpflanzen um Nährstoffe.
Mikrobielle Helfer gegen die Konkurrenz
Indem verschiedene Linien von Palmfarnen gelernt haben, ihren Stickstoff mithilfe der Bakterien zu gewinnen, konnten sie diesem Konkurrenzdruck ausweichen und auch auf nährstoffarmen Böden wachsen. Gleichzeitig könnte die Stickstoffgewinnung per Symbiose den urtümlichen Pflanzen aber auch dabei geholfen haben, die gravierenden Klimaveränderungen zu überleben, mit denen die Erde nach dem Einschlag des Asteroiden vor 66 Millionen Jahren konfrontiert war, so Kipp und seine Kollegen. (Nature Ecology & Evolution, 2023, doi: 10.1038/s41559-023-02251-1)
Quelle: Duke University
