Wie neue Arten entstehen

Faktoren für Polyploidisierung entdeckt

06.05.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Gattung Leucanthemum (Europäische Margeriten) umfasst Arten mit 2- bis 22-fachen Chromosomensatz. (Bildequelle: © Dr. Roland Greiner)
Die Gattung Leucanthemum (Europäische Margeriten) umfasst Arten mit 2- bis 22-fachen Chromosomensatz. (Bildequelle: © Dr. Roland Greiner)

An Margeriten lässt sich untersuchen, warum manche Pflanzen ein polyploides Genom entwickeln und andere nicht. Denn während die europäischen Margeriten bis zu 198 Chromosomen pro Zellkern und damit einen polyploiden Chromosomensatz aufweisen, gibt es die nordafrikanischen Margeriten nur in diploider Version.

Der Mensch verfügt in nahezu allen Zellen über 46 Chromosomen. 23 Chromosomen stammen vom Vater, 23 von der Mutter. Da jedes Chromosom quasi doppelt vorhanden ist, bezeichnet man das menschliche Genom als diploid. Von Polyploidie spricht man, wenn ein Organismus mehr als zwei Chromosomensätze hat. Das kommt vor allem bei höheren Pflanzen vor, aber auch im Tierreich, z. B. bei Forellenfischen und bestimmten Amphibien.

Zahlreiche Nutzpflanzen sind polyploid

Da die Polyploidisierung neue Arten entstehen lässt, ist sie ein wichtiger evolutionärer Baustein für die pflanzliche Biodiversität auf der Erde. Etwa ein Drittel der Blütenpflanzen verfügt über einen polyploiden Chromosomensatz. Dazu gehören auch Nutzpflanzen wie Weizen (Triticum aestivum), Kartoffel (Solanum tuberosum), Baumwolle (Gossypium), Raps (Brassica napus), Mais (Zea mays) oder Kaffee. Forscher der Universität Regensburg und der Freien Universität Berlin haben nun untersucht, warum manche Pflanzengruppen durch Polyploidisierung evolvieren, während andere, selbst innerhalb derselben Gattung, davon völlig unberührt bleiben.

Unterschiedliche Polyploidie auf den Kontinenten

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Die mit den Europäischen Margeriten (Leucanthemum - siehe Titelbild) nah verwandten nordafrikanischen Margeriten (Rhodanthemum) bildeten zwar ebenfalls viele Arten heraus, blieben aber auf dem diploiden Niveau.

Die mit den Europäischen Margeriten (Leucanthemum - siehe Titelbild) nah verwandten nordafrikanischen Margeriten (Rhodanthemum) bildeten zwar ebenfalls viele Arten heraus, blieben aber auf dem diploiden Niveau.

Quelle: © Florian Wagner

Die europäischen und nordafrikanischen Margeriten wurden erst vor wenigen Jahren taxonomisch voneinander getrennt und unterschiedlichen Gattungen zugeordnet. Während die europäischen Margeriten wahre Polyploidie-Experten sind, trifft das auf die nordafrikanischen Exemplare nicht zu. Die nordafrikanische Gattung Rhodanthemum bringt nur diploide Pflanzen mit 18 Chromosomen pro Zellkern hervor, während man bei den europäischen Margeriten (Gattung Leucanthemum) zwischen 18 und 198 Chromosomen pro Zellkern vorfindet.

„Das Fehlen von polyploiden Arten bei den nordafrikanischen Margeriten im Gegensatz zu unseren europäischen Vertretern ist insbesondere darum erstaunlich, da sich beide Pflanzengruppen sowohl in ihrem Alter als auch in ihrer Lebensform und der Anzahl an diploiden Arten ähneln“, erklärt Florian Wagner von der Universität Regensburg. Was also unterscheidet die Evolution von europäischen und nordafrikanischen Margeriten?

DNA-Sequenzierung aller diploider Arten

Wagner unternahm zahlreiche Exkursionen nach Südeuropa und Marokko, um an Margeriten von verschiedenen Standorten zu gelangen. Seine Sammlung ergänzte er durch sorgfältig gesammelte Pflanzen aus verschiedenen europäischen Herbarien. So konnte er alle diploiden Exemplare beider Gattungen zusammentragen und auf ihrer Basis nach möglichen Ursachen für die Polyploidisierung suchen. Das gelang Wagner und seinem Team mit Hilfe moderner Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung.

Genetische Divergenz: weder zu gering noch zu groß

Die Genom-Analysen zeigten: Die genetische Diversität zwischen diploiden Arten einer Pflanzengruppe hat einen großen Einfluss auf die Entstehung neuer Arten durch Vervielfachung des Chromosomensatzes. Wagners Arbeiten verdeutlichen, dass das Verschmelzen zweier Genome dann am wahrscheinlichsten ist, wenn die genetische Divergenz zwischen den Arten weder zu gering noch zu groß ist. Eine Voraussetzung zur Entstehung von polyploiden Genomen ist auch, dass die diploiden Ausgangsarten räumlich aufeinandertreffen und erfolgreich hybridisieren.

Klimaveränderungen mit-entscheidend bei Polyploidisierung

Diese Prozesse fanden in den vergangenen 1,6 Millionen Jahren bei den europäischen Margeriten offenbar immer wieder statt. Förderlich waren dabei offenbar Klimaschwankungen und eine sich ständig verändernde Umwelt. Abwechselnde Gletscher- und Interglazialperioden während der Quartärzeit führten zu Veränderungen in den Verbreitungsgebieten der Pflanzenpopulationen und damit zur Bildung homoploider und polyploider Hybridarten.

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