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In einem bislang einzigartigen Feldexperiment hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Goethe-Universität, der University of California, Berkeley, und dem CNRS Montpellier die evolutionäre Anpassung der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana an verschiedensten Klimazonen von den Alpen bis zur Negevwüste untersucht. An weltweit 30 Standorten säten die Teammitglieder die Pflanzen aus, beobachteten deren Entwicklung und werteten genetische Veränderungen aus. Das Ergebnis: Viele Arabidopsis-Populationen passten sich rasch den Klimaverhältnissen an – einige jedoch starben aus. Die Ergebnisse zeigen, wie genetische Vielfalt das Überleben von Populationen sichert.
FRANKFURT. Das große Experiment startete im Herbst 2017 mit 360 kleinen Plastikröhrchen, in denen sich eine Mischung aus Samen der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana befand, einer unscheinbaren, einjährigen Pflanze mit kleinen, weißen Blüten. Die Röhrchen wurden an 30 verschiedene Orte in West- und Nordeuropa, dem Mittelmeerraum und den USA verschickt, wo sie von den Biologinnen und Biologen eines weltweiten Netzwerks in je zwölf jeweils rund ein Viertel Quadratmeter große Beete eingesät wurden und dort zwölf Arabidopsis-Populationen bildeten, die mit ihren Samen das Fortbestehen im jeweils kommenden Jahr sicherten. Bis zu fünf Jahre lang dokumentierten die Forscherinnen und Forscher das Wachsen und Gedeihen der Pflanzen und nahmen jährlich Gewebeproben für genetische Analysen. Ihr gemeinsames Ziel: die Evolution der Pflanzen nachzuvollziehen, die sich an so unterschiedliche Standorte anpassen mussten.
Mit dem Aufbau des Netzwerks „Genomics of Rapid Evolution in Novel Environment“ – kurz GrENE-net – hatte 2016 Niek Scheepens, Professor für evolutionäre Pflanzenökologie an der Goethe-Universität Frankfurt, gemeinsam mit Dr. François Vasseur vom französischen Centre d’Écologie Fonctionelle et Évolutive in Montpellier und Prof. Moisés Expósito-Alonso von der University of California in Berkeley begonnen.
Die Pflanzenproben aus den ersten drei Jahren wurden nun vom US-amerikanischen Team genetisch analysiert. Das Ergebnis: In den meisten Klimazonen überlebten die Populationen und passten sich an die Umweltbedingungen an. 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.
Scheepens kommentiert: „Beide Ergebnisse zeigen, wie das Klima offenbar einen evolutionären Selektionsdruck ausübt und die Auswahl solcher Gene und Genvarianten begünstigt, die die Pflanze besser an das Klima anpassen.“
Einige Ackerschmalwand-Populationen, meist an besonders heißen und trockenen Standorten, waren jedoch nach den drei Jahren ausgestorben, und ihre Beete blieben kahl. Dem gingen, wie die Genomanalysen jetzt zeigten, starke genetische Schwankungen voraus, und die 12 Populationen entwickelten sich nicht alle in dieselbe Richtung. Scheepens: „In diesen Populationen gab es offenbar zufällige Veränderungen als Folge einer am Ende doch recht kleinen Population in einem Beet. Statt einer erfolgreichen Anpassung hat hier also die sogenannte ‚genetische Drift‘ überwogen.“
Evolutionsökologe Niek Scheepens 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 Überleben!“
Bilder zum Download:
https://www.uni-frankfurt.de/184316322
Bildtexte:
1 Lehrt uns, dass genetische Vielfalt das Überleben sichert: die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana. Foto: Niek Scheepens, Goethe-Universität Frankfurt
2 In je zwölf Beeten von einem Viertel Quadratmeter Fläche wuchsen die Ackerschmalwandpflanzen. Foto: Niek Scheepens, Goethe-Universität Frankfurt
3 Jedes Jahr während der Blüte wurden von allen Pflanzen Gewebeproben für die genetische Analyse genommen. Foto: Niek Scheepens, Goethe-Universität Frankfurt
4 Die Standorte waren klimatisch verschieden und reichten vom Gebirge bis zur Wüste. Foto: Jean-Gabriel Valay, Jardin du Lautaret
Prof. Dr. J.F. Niek Scheepens
Evolutionäre Ökologie der Pflanzen
Institut für Ökologie, Evolution und Diversität
Fachbereich Biowissenschaften
Goethe-Universität Frankfurt
Tel. +49 (0)69 798-42132
Scheepens@bio.uni-frankfurt.de
https://www.bio.uni-frankfurt.de/96381923/J_F__Niek_Scheepens
Xing Wu, Tatiana Bellagio, Yunru Peng, Lucas Czech, Meixi Lin, Patricia Lang, Ruth Epstein, Mohamed Abdelaziz, Jake Alexander, Carlos Alonso- Blanco, Heidi Lie Andersen, Modesto Berbel, Joy Bergelson, Oliver Bossdorf, Liana Burghardt, Mireille Caton- Darby, Robert Colautti, Carolin Delker, Panayiotis G. Dimitrakopoulos, Kathleen Donohue, Walter Durka, Gema Escribano- Avila, Steven J. Franks, Felix B. Fritschi, Alexandros Galanidis, Alfredo Garcia-Fernández, Ana García- Muñoz, Elena Hamann, Allison Hutt, José M. Iriondo, Thomas E. Juenger, Stephen R. Keller, Karin Koehl, Arthur Korte, Pamela Korte, Alexander Kutschera, Carlos Lara-Romero, Laura Leventhal, Daniel Maag, Arnald Marcer, Martí March- Salas, Juliette de Meaux, Belén Méndez-Vigo, Javier Morente-López, Timothy C. Morton, Zuzana Münzbergova, Anne Muola, Hanna Akiko Nomoto, Meelis Pärtel, F. Xavier Picó, Brandie Quarles- Chidyagwai, Marcel Quint, Niklas Reichelt, Agnieszka Rudak, Johanna Schmitt, Gregor Schmitz, Merav Seifan, Basten L. Snoek, Remco Stam, Marc Stift, John R. Stinchcombe, Mark A. Taylor, Peter Tiffin, Irène Till-Bottraud, Anna Traveset, Jean- Gabriel Valay, Martijn Van Zanten, Vigdis Vandvik, Cyrille Violle, Detlef Weigel, Maciej Wódkiewicz, François Vasseur, J. F. Scheepens, Moises Exposito- Alonso. Rapid adaptation and extinction in synchronized outdoor evolution experiments of Arabidopsis. Science (2026) https://doi.org/10.1126/science.adz0777
https://grene-net.org/ Website des Projekts GrENE-net
Lehrt uns, dass genetische Vielfalt das Überleben sichert: die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana ...
Source: Niek Scheepens
Copyright: Goethe-Universität Frankfurt
Die Standorte waren klimatisch verschieden und reichten vom Gebirge bis zur Wüste.
Source: Jean-Gabriel Valay
Copyright: Jardin du Lautaret
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils, all interested persons
Biology, Environment / ecology, Oceanology / climate
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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