Studie betont die Bedeutung der Biodiversität für das Éberleben seltener Pflanzen und deren Anpassungsfähigkeit an den Klimawandel
- Anpassung an Klimaverhältnisse: Pflanzenpopulationen passen sich in den meisten Klimazonen an lokale Bedingungen an. Diese Anpassungen betreffen Gene, die Trockentoleranz und Blütezeit beeinflussen. Die Evolution kann bei ausreichender genetischer Vielfalt innerhalb von drei bis fünf Jahren erfolgen.
- Herausforderungen an extremen Standorten: Populationen an extrem heißen und trockenen Orten starben häufig innerhalb von drei Jahren aus. Starke genetische Schwankungen führten dazu, dass sich nicht alle Populationen in dieselbe Richtung entwickelten.
- Appell für Biodiversität: Die Studie betont die Bedeutung der genetischen Vielfalt für das Éberleben seltener Pflanzen und den Umgang mit Klimaveränderungen. Der Erhalt der Biodiversität ist entscheidend für die Anpassungsfähigkeit von Arten.
Evolution in Echtzeit: Ein internationales Forschungsteam hat die Evolution der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über zehn Jahre an 30 Standorten weltweit untersucht. Ihre Ergebnisse zeigen, dass genetische Vielfalt entscheidend für das Éberleben von Pflanzenpopulationen ist.
Im Herbst 2017 bestückten Forscher Hunderte von Plastikröhrchen mit Samenmischungen, die am Max-Planck-Institut hergestellt wurden. Die Samen stammten von mehr als zweihundert Arabidopsis thaliana-Linien aus der ganzen Welt, deren genetische Variation am Max-Planck-Institut bestimmt worden war. Die Röhrchen wurden an 30 verschiedene Orte in Westund Nordeuropa, im Mittelmeerraum und in den USA verschickt.
An jedem Standort säten Biologen und Biologinnen des weltweiten Netzwerks die Samen in zwölf Parzellen von jeweils etwa einem Viertel Quadratmeter aus, wodurch jeweils zwölf verschiedene Arabidopsis Populationen entstanden. Diese Populationen pflanzten sich durch die Samenproduktion selbst fort. Bis zu fünf Jahre lang dokumentierten die Forschenden das Wachstum und Gedeihen der Pflanzen, und nahmen jährlich Gewebeproben für genetische Analysen. Dies alles geschah mit dem gemeinsamen Ziel, herauszufinden, wie sich die Pflanzen entwickeln, um den Anforderungen der höchst unterschiedlichen Standorte gerecht zu werden.
Anpassung an lokale Umweltbedingungen
Die vom Team von Moisés Expósito-Alonso durchgeführte genetische Analyse der Pflanzenproben aus den ersten drei Jahren zeigte, dass Populationen in den meisten Klimazonen überlebten und sich an die lokalen Umweltbedingungen anpassten. Sichtbar wurde das durch Millionen Änderungen in der Gesamtheit ihrer Gene, dem Genom. Dabei waren die genomischen Veränderungen häufig in allen zwölf Populationen eines Standorts statistisch ähnlich, und Standorte mit ähnlichem Klima wiesen ähnliche genetische Veränderungen auf und betrafen etwa Gene, die die Trockentoleranz oder die Blütezeit beeinflussen.
-Unsere großen Fragen lauteten: -Wie schnell schreitet die Evolution voran?- und -Wann geht sie zu Ende?--, sagt Expósito-Alonso. "Wir konnten zeigen, dass dieses Tempo bei ausreichender genetischer Vielfalt drei, vier oder fünf Jahre betragen kann. Zum ersten Mal können wir direkt beobachten, wie sich bestimmte DNA-Varianten - adaptive Varianten - in Populationen im Laufe der Evolution durchsetzen." Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen fügt hinzu: "In unserer früheren Arbeit haben wir bereits untersucht, wie schnell neue genetische Variationen durch Mutation entstehen. Jetzt haben wir einen ersten Eindruck davon, wie schnell sich diese Mutationen in einer Population durchsetzen können".
Aussterben an extremen Standorten
Jedoch nicht alle Ackerschmalwand-Populationen schnitten gut ab. Diejenigen an besonders heißen und trockenen Standorten starben größtenteils innerhalb von drei Jahren aus und ließen ihre Parzellen unfruchtbar zurück. Dem gingen, wie die Genomanalysen jetzt zeigten, starke genetische Schwankungen voraus, und die 12 Populationen entwickelten sich nicht alle in dieselbe Richtung. Der Evolutionsökologe Niek Scheepens von der Goethe-Universität Frankfurt fasst zusammen: -Mit diesem Experiment können wir der Evolution sozusagen live über die Schulter schauen. Es zeigt uns: Evolutionäre Anpassung kann sehr rasch verlaufen, sofern ausreichende genetische Vielfalt vorhanden ist. Daher können seltene Pflanzen mit kleinen Populationen und entsprechend geringer genetische Vielfalt nur schlecht mit Veränderungen wie dem Klimawandel umgehen. Insgesamt ist unser Experiment ein eindringlicher Appell für den Erhalt der Biodiversität ganz allgemein: Vielfalt sichert Éberleben!-
Für Weigel ist die Studie ein sehr befriedigender Meilenstein: -Ich hätte nicht glücklicher sein können, dass ein Experiment, das Labormitglieder vor zehn Jahren konzipiert haben, zu einem so spektakulären Ergebnis gekommen ist - und es ist vor allem ein Zeugnis für die wissenschaftliche Vision und die wissenschaftliche Führung von Moisés Expósito-Alonso, dessen enormes Talent schon als Doktorand offensichtlich war.-
Genomics of Rapid Evolution in Novel Environments
Das Netzwerk -Genomics of Rapid Evolution in Novel Environments- (GrENE-net) wurde 2016 von zwei Wissenschaftlern aus dem Labor von Detlef Weigel, Direktor der Abteilung für Molekularbiologie am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen, gegründet. Die Forscher waren Moisés Expósito-Alonso, damals Doktorand am Institut und heute Professor an der University of California, Berkeley, und François Vasseur, damals Postdoktorand und heute Wissenschaftler am Centre d'Écologie Fonctionnelle et Évolutive in Montpellier. Sie arbeiteten mit Niek Scheepens, damals Professor an der Universität Tübingen und heute Professor für Evolutionäre Ökologie der Pflanzen an der Goethe-Universität Frankfurt, zusammen.
