Hoe de eerste algen in de loop van 800 miljoen jaar bossen werden dankzij schimmels

Het was de auteurs van de nieuwe studie opgevallen dat interacties tussen schimmels en planten, waaronder parasitisme - een interactie waar een partij voordeel bij heeft en de andere nadeel van ondervindt -, mutualisme - een interactie die voor beide partijen voordelig is -, en saprotrofie - waarbij de ene partij haar voedingsstoffen haalt uit de dode overblijfselen van de tweede -, vaak aangehaald worden als sleutelmechanismen voor het succes van zowel planten als schimmels, maar dat nog niemand onderzoek gedaan had naar gelijktijdige evolutionaire gebeurtenissen in hun geschiedenis. 

Om dat te onderzoeken in een grootschalige studie, bundelde emeritus professor in de biologie aan Virginia Tech Khidir Hilu zijn krachten met 13 onderzoekers met complementaire expertises in de plantkunde, de mycologie - de studie van schimmels -, de paleontologie en de bio-informatica.

"De verplaatsingen naar het land van planten en schimmels hebben onze planeet fysiek onomkeerbaar veranderd, en vorm gegeven aan hun eigen biodiversiteit, en aan die van het dierenrijk", zei Hilu in een persmededeling van Virginia Tech. "Ons onderzoek toont aan dat de succesvolle invasie van het land door planten en schimmels een gevolg was van co-evolutionaire interactie tussen de twee, die hun biodiversiteit deed toenemen. Deze bevindingen komen mooi op tijd gelet op de huidige problemen met de klimaatverandering, en de opmerkelijke uitstervingsgolf die planten en dieren momenteel ondergaan, en de impact ervan op onze planeet."

De gezamenlijke evolutie gaat dan onder meer over de eerste algen die aan land zijn gekomen, en die de schimmels geholpen hebben, een latere invasie van algen die de voorouders van alle planten zijn geworden, en die dan weer geholpen zijn door schimmels, en het ontstaan van planten met houtachtig weefsel, wat gepaard ging met een evolutie onder de schimmels zodat een aantal soorten dood hout konden afbreken en "recycleren".

Tenslotte is er nog het verschijnen van planten met zaden, wat gevolgd werd door het opkomen van schimmels die een ectomycorrhiza vormen aan de worteltopjes van bepaalde planten. Dat is een symbiose die mutualistisch is, dus in het voordeel van beide, en die planten bijvoorbeeld toegelaten heeft te gedijen in drogere omgevingen. Bij ectomycorrhiza dringen de schimmels niet door tot in de cellen van de wortel, bij endomycorrhiza en vesiculaire arbusculaire mycorrhiza doen ze dat wel, zonder dat de planten er schade van ondervinden.

In hun nieuwe studie onderzochten de wetenschappers nauwgezet de evolutie van planten en schimmels op basis van moleculaire technieken en bio-informatica. Ze legden eerst een goed gebaseerde fylogenie of evolutionaire geschiedenis vast voor de planten en schimmels afzonderlijk, door gebruik te maken van gegevens van genensequenties die ze zelf in hun laboratorium opstelden, of haalden uit bestaande verzamelingen van genensequenties. 

Vervolgens maakten ze schattingen van de data van evolutionaire divergenties - het uit elkaar gaan van verschillende soorten - voor afstammingslijnen van planten en schimmels, op basis van zowel genetische mutaties als betrouwbare fossielenbestanden. Daarna berekenden ze belangrijke verschuivingen in de diversificatiesnelheid van belangrijke afstammingslijnen in de twee rijken apart, dat van de fungi en dat van de planten, punten waarop er zich, met andere woorden, ineens meer soorten gaan vormen bij de planten enerzijds, en bij de schimmels anderzijds.

Eens die onderzoeken afgerond waren, werden de zo bekomen fylogenetische verhoudingen voor planten en schimmels op dezelfde lijn gebracht op dezelfde geologische tijdschaal, wat de onderzoekers toeliet om de oorsprong vast te leggen van verschillende belangrijke samenvallende evolutionaire gebeurtenissen bij planten en schimmels, in het bijzonder symbiotische relaties en het vermogen van schimmels om planten te doen ontbinden. 

Ze merkten drastische verschuivingen op in de diversificatiesnelheden in de twee rijken die overtuigend de co-evolutie van planten en schimmels aantoonden, en hun onderlinge afhankelijkheid gedurende hun lange geschiedenis.

De auteurs meldden in hun studie dat de kolonizatie van het land door de fungi of schimmels geassocieerd was met, en geholpen werd door, het ontstaan van minstens twee soorten groene landalgen, die voorafgingen aan de oorsprong van de landplanten. Dit viel samen met het verlies, zo'n 720 miljoen jaar geleden, van het flagellum of zweepstaartje bij de fungi, een zweepachtig aanhangsel dat schimmels helpt te zwemmen in water. 

Het omgekeerde deed zich dan weer voor bijna 200 miljoen jaar later, in het Paleozoïcum. Toen werd de succesvolle kolonisatie van het land door een afstammingslijn van groene algen die uiteindelijk zou leiden tot alle planten die nu nog leven, waarschijnlijk vergemakkelijkt door schimmels. In het bijzonder door het feit dat de schimmels zich nestelden in de cellen van de vroegste landplanten, wat het mutualisme bevorderde,  een samengaan waar beide partijen voordeel van hadden en dat de sleutel vormde tot het succes van schimmels en planten op het land.  

Een van de meest betekenisvolle gebeurtenissen op het gebied van de biologie, ecologie en het milieu op aarde, was het ontstaan en de aanvankelijke diversificatie van een afstammingslijn die alle planten omvat die zaden produceren. Zaadplanten, waartoe de naaldbomen en de bloeiende planten behoren, verschenen tijdens het Siluur, zo'n 436 miljoen jaar geleden. 

Ook heel betekenisvol is een van de kenmerken die deze afstammingslijn van planten onderscheidt van de andere, namelijk de aanwezigheid van een karakteristieke vorm van celdeling die tot het ontstaan leidde van hout. Dit leidde tot de evolutie van grote houtachtige bomen, wat op zijn beurt uitmondde in het vestigen van de eerste bossen in het binnenland, met lignine-rijk hout als hun ruggengraat. 

Het ontstaan van bossen zou geen succes gekend hebben zonder de ermee verbonden evolutie van de fungi, en hun vermogen om de polymeren lignine en cellulose uit de celwanden van houtachtige planten te verteren. Deze evolutionaire nieuwigheid speelde een grote rol in het recycleren van organisch materiaal, wat ertoe leidde dat het bossysteem zichzelf in stand kon houden. Het ontstaan en de vroege diversificatie van de afstammingslijn van de zaadplanten werd gevolgd door de evolutie van de grootste klasse onder de fungi, de Agaricomycetes, waar onder meer de vliegenzwam en de stinkzwam toe behoren. 

Het ontstaan van fungi die ectomycorrhiza vormen met de worteleinden van planten, lijkt het gevolg te zijn van reeks evolutionaire innovaties bij de planten, waaronder het ontstaan van hout, zaden en wortels. De evolutionaire gebeurtenissen die daarop volgden, zoals het ontstaan van ectomycorrhiza, waren cruciaal bij het bevorderen van de diversifictaie die geleid heeft tot de bestaande zaadplanten, die enerzijds planten omvatten die kegelvruchten dragen, zoals dennen en sparren,  de ginkgo en de palmvarens, en anderzijds ook de bloeiende planten, en ze waren ook cruciaal bij hun expansie in drogere omgevingen. 

De laatste groep, de bloeiende planten, omvat de meeste nog levende plantensoorten en komt voor in de belangrijkste ecosystemen. De groep herbergt een verbluffende diversiteit aan vormen en functies, en levert ons bijna alle planten waarmee we ons voeden. Schimmels die ectomycorrhiza vormen, leven in een symbiotische verhouding met planten en kunnen netwerken rond de wortels van de planten vormen die hen helpen bij het innemen van water en voedingsstoffen, waardoor ze er vaak voor zorgen dat de plant ongunstige weersomstandigheden kan overleven. In ruil krijgen de schimmels vaak suikers van de planten om zich mee te voeden.

De macro-evolutie van planten en fungi is meestal apart bestudeerd, deze studie toont echter duidelijk aan dat hun respectievelijke evolutionaire geschiedenissen sterk met elkaar verweven zijn, en alleen begrepen kunnen worden door het gelijktijdig bestuderen van hun fylogenieën in een goed gefundeerd tijdskader.

De auteurs van de studie verwachten dat hetzelfde ook zal gelden voor de evolutie van het dierenrijk, een groep die zeer sterk afhangt van fotoautotrofe planten - planten die zelf hun chemische energie produceren dankzij het zonlicht -, en ook voor de evolutie van micro-organismen in het algemeen.