Monotonie durch Klimawandel

Genetische Vielfalt innerhalb der Arten schwindet

25.09.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Bei vielen Pflanzen könnten zahlreiche Populationen genetisch nicht im Stande sein, sich an zunehmende Wärme und Trockenheit infolge des Klimawandels anzupassen. (Bildquelle: © Nikolaiy/Pixabay/CC0)
Bei vielen Pflanzen könnten zahlreiche Populationen genetisch nicht im Stande sein, sich an zunehmende Wärme und Trockenheit infolge des Klimawandels anzupassen. (Bildquelle: © Nikolaiy/Pixabay/CC0)

Vor allem im Norden und im Süden Europas könnten es viele Pflanzenarten zur Mitte des Jahrhunderts schwerer haben: Sie verlieren an genetischer Vielfalt. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Sie untersuchte, wie anpassungsfähig natürliche Arabidopsis-Linien an veränderte Temperaturen und Niederschlagsmuster sind.

Sich verändernde Umweltbedingungen sind ein wesentlicher Treiber der Evolution. Mit dem Klimawandel steht auch der Pflanzenwelt ein Anpassungsdruck bevor, wie es ihn in der Erdgeschichte nur selten gab. Während sich zahlreiche Wissenschaftler damit befassen, was dies für die Artenvielfalt bedeutet, ist bisher kaum etwas über den Biodiversitätsverlust innerhalb von Arten bekannt. Die Frage ist, welche Populationsanteile einer Art haben ausreichend genetische Flexibilität, um sich schnell auf die neuen klimatischen Bedingungen in der Mitte dieses Jahrhunderts einzustellen.

Ein internationales Forscherteam unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat nun am Beispiel der genetisch gut erforschten Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) Licht auf diese Frage geworfen – heraus kam mit Blick auf das künftige Verbreitungsgebiet vieler Pflanzen Besorgniserregendes.

Gesamte genomische Vielfalt abgebildet

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Das Team arbeitet im Winter im Folientunnel in Tübingen.

Quelle: © Moises Exposito-Alonso

Die Wissenschaftler haben für ihre Untersuchungen zunächst 517 natürliche Linien der Ackerschmalwand zusammengetragen. In ihnen steckt nahezu die gesamte genetische Vielfalt dieser Art. Mehr als 300.000 Samen dieser Linien pflanzten die Forscher an zwei Standorten in unterschiedlichen Pflanzdichten: In Deutschland, wo das gemäßigte Klima ausreichend Regen liefert, und in Spanien, wo das mediterrane Klima schon heute regelmäßige Dürrephasen mit sich bringt. Dann wertete das Team aus, wie sich die Pflanzen entwickelten, welche Pflanzen bis zur Fortpflanzung überlebten und wie viele Samen mit welcher Fitness die überlebenden Pflanzen produzierten.

Das spanische Klima mit wenig Niederschlag erwies sich – besonders in Kombination mit einer hohen Pflanzendichte – für viele Linien als tödlich: Nur 193 der 517 ausgesäten Akzessionen überlebten unter diesen Bedingungen. Am deutschen Standort brachten Vertreter aller Akzessionen Nachkommen hervor.

Allelfixierung in trockenen Regionen

Um den Einfluss der natürlichen Selektion zu bewerten, analysierten die Forscher für jede genomische Position die Anteile der häufigsten und zweithäufigsten Allelvariante und verglichen, wie diese sich jeweils auf die Fitness auswirkten. Den Fitnessunterschied fassten die Forscher im sogenannten Selektionskoeffizienten zusammen.

Unter spanischen Bedingungen zeigte das Prozent mit den größten Selektionskoeffizienten bei bis zu einem Viertel aller Gene Veränderungen des Allelverhältnisses. Bei einem Prozent aller Gene blieb lediglich ein Allel übrig – eine sogenannte Fixierung, bei der die anderen Ausprägungen eines Merkmals in der Population verschwunden sind. Derartige Fixierungen gab es am deutschen Standort nicht und auch bei den Pflanzen im obersten Prozent-Bereich des Selektionskoeffizienten verändert sich das Allelverhältnis nur bei maximal 2,6 Prozent der Gene.

Weitere Analysen der Daten ergaben, dass es sich bei den meisten beobachteten Veränderungen im Allelverhältnis um eine ungerichtete natürliche Selektion handelte. Außerdem stellten die Forscher fest, dass für jene Allele, auf die unter niederschlagsarmen Bedingungen eine positive Selektion wirkte, bei niederschlagsreichen Bedingungen das Gegenteil galt – und umgekehrt.

Natürliche Selektion durch Niederschlagsmuster

Unter der Annahme, dass die beobachteten Muster der natürlichen Anpassung an Klimaveränderungen entsprachen, suchten die Wissenschaftler nach molekularen Spuren im Genom der Pflanzen, sogenannten „Selective Sweeps“. Diese führen zur Fixierung einzelner Allele und erlauben so, einen Zusammenhang zwischen bestimmten Allelen und dem jeweiligen Klima abzuleiten. Die Ergebnisse verweisen auf ein polygenes Modell der natürlichen Selektion durch Niederschlagsmuster.

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Luftbild des Versuchsgeländes in Madrid (Spanien).

Quelle: © Moises Exposito-Alonso

Abschließend kombinierte das Forscherteam die gesammelten Erkenntnisse, um ein Vorhersagemodell zu entwickeln, wie der Klimawandel sich auf die einzelnen Linien der Ackerschmalwand auswirken wird. Die Software gibt dazu Prognosen ab, welche Allele häufiger oder seltener werden. Mit den eigenen Daten aus Spanien und Deutschland trainierten die Forscher das Modell und validierten es erfolgreich anhand früherer Fitnessstudien.

Genetische Vielfalt wird deutlich schwinden

Angewandt auf Hunderte Orte innerhalb des natürlichen Verbreitungsgebiets der Ackerschmalwand ergab das Modell, dass jene Akzessionen die stärkste Selektion erfahren werden, die in warmen und trockenen Regionen mit stark schwankender jährlicher Niederschlagsmenge beheimatet sind. Projektionen für das Jahr 2050 sehen daher einen starken Selektionsdruck für Süd- und Mitteleuropa vorher. In diesen Regionen stehen lokale Allele der Simulation zufolge unter negativer Selektion.

Weil die Linien einer Region meist eng verwandt sind, dürften einige Populationen durch vom Klimawandel getriebene Evolution in ihrer Existenz gefährdet sein, warnen die Forscher: „Unsere Berechnungen zeigen, dass die genetische Vielfalt von Arabidopsis bis zum Jahr 2050 deutlich schwinden wird. Es werden vor allem die Mutationen profitieren, die die Pflanzen widerstandsfähiger gegenüber den zukünftigen Klimaextremen in Süd- und Südosteuropa machen werden“, resümiert der Entwicklungsbiologe Moises Exposito-Alonso.

Die Forscher beschreiben ihren Ansatz darüber hinaus als Machbarkeitsbeweis für den Einsatz genomweiter natürlicher Selektionsmodelle, um die Evolution in Folge des Klimawandels abzuschätzen und Risiken für die Biodiversität zu erfassen. Diese Vorhersagen könnten dann genutzt werden, um gezielte Schutzmaßnahmen für die jeweiligen Arten einzuleiten, so die Forscher weiter. Denn auch wenn die Studie nur an der Ackerschmalwand durchgeführt wurde, vermuten sie, dass viele weitere in Europa heimische Pflanzen nicht die genetischen Voraussetzungen haben, um in den klimatischen Randzonen zu überleben.

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