Pflanzengenome passen sich an Kimaänderungen an

10.10.2011 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Brown-Absolventin Laura Martin, jetzt an der Cornell University, untersucht Arabidopsis-Pflanzen in Norwich, England (Quelle: © Judith Roe)
Brown-Absolventin Laura Martin, jetzt an der Cornell University, untersucht Arabidopsis-Pflanzen in Norwich, England (Quelle: © Judith Roe)

Pflanzen vererben ihren Nachkommen eine unterschiedliche Auswahl ihrer Fitnessgene – je nach den vorherrschenden Klimabedingungen.

Wenn sich die Umweltbedingungen ändern, haben Tiere eine einfache Strategie: Sie brechen auf und suchen nach neuen geeigneten Lebensräumen. Da Pflanzen das unmöglich ist, haben sie einen anderen Trick entwickelt, wie Forscher in Science berichten: Sie rüsten ihre Nachkommen für die anstehenden Umweltbedingungen, indem sie das passende Set Fitnessgene vererben.

Die Forscher hatten die Modellpflanze Arabidopsis thaliana an vier verschiedenen Standorten in Europa innerhalb ihres normalen Verbreitungsgebietes ausgepflanzt – in Deutschland, England, Finnland und Spanien. Die Auswahl sollte sowohl kaltes und warmes als auch kontinentales und maritimes Klima abdecken. An jedem Standort pflanzten die Forscher Pflanzen aus allen vier Regionen, um so den „Heimvorteil“ zu ermitteln. Für 75.000 Pflanzen wertete das Team aus, wie viele Früchte sie tragen.

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Südeuropäische Varianten des Wasserstress-Gens SAG21 waren in Finnland mit geringer Fitness assoziiert (Quelle: © Brown University).

Südeuropäische Varianten des Wasserstress-Gens SAG21 waren in Finnland mit geringer Fitness assoziiert (Quelle: © Brown University).

Im Labor untersuchten die Forscher das Arabidopsis-Genom darauf, welche molekularen Mechanismen die Anpassungsfähigkeit an das Klima steuern. In einer genomweiten Assoziationsstudie fanden sie mehr als 213.000 mit Überleben und Fortpflanzung assoziierte SNPs, Punktmutationen, die sich innerhalb einer Art durchsetzen konnten. Dabei variierten die Muster der SNPs deutlich nach Region. Beispielsweise war eine Punktmutation im Gen SAG21 – beteiligt an der Trockentoleranz – in spanischen Pflanzen verbreitet, kam jedoch in finnischen Pflanzen kaum vor. Die finnischen Exemplare, die es dennoch trugen, entwickelten sich unterdurchschnittlich.

Damit konnten die Brown-Wissenschaftler erstmals zeigen, wie evolutionäre Anpassungen bei Arabidopsis auf einem geografischen Level funktionieren. Dass diese Anpassungen abhängig vom Klima sind, interpretieren die Autoren der Studie als gutes Zeichen: Demnach seien Pflanzen durchaus in der Lage, sich evolutionär in die eine oder die andere Richtung zu entwickeln und so dem Klimawandel zu begegnen.

Gedämpft wird diese Euphorie jedoch durch ein weiteres Paper der gleichen Science-Ausgabe: Darin zeigten Forscher, dass vor allem Gene, die an Photosynthese oder Energiestoffwechsel beteiligt sind, besonders häufig zu den Genen zählen, die von Klimaanpassungen betroffen sind. Entscheidend dabei war jedoch die Entdeckung, dass viele dieser evolutionären Veränderungen durch sogenannte „selective sweeps“ entstanden sind. Davon sprechen Genetiker, wenn eine Mutation aufgrund erheblicher Fitnessvorteile sich rasant in einer Population ausbreitet und dabei die genetische Variation drastisch verringert. Die Anpassungsfähigkeit einer Pflanze sei demnach stark an das Auftreten von „selective sweeps“ gebunden – und deren Häufigkeit möglicherweise zu begrenzt, um schnellen Klimaveränderungen zu begegnen.

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