Wie sich Pflanzen an lokales Klima anpassen

Publikation in "Science"

In einer gemeinsamen Studie von Johanna Schmitts Gruppe an der Brown University (USA) und Magnus Nordborgs Team am GMI konnten entscheidende Gene identifiziert werden, die für die lokale Anpassung in Freilandpopulationen von Arabidopsis thaliana verantwortlich sind.

Lokale Anpassungen sind Voraussetzungen für das Überleben von Arten angesichts sich rasch ändernder Umweltbedingungen. Die genetische Basis für diese Fähigkeit gibt Biolog(inn)en bis heute Rätsel auf. Um das Ausmaß der lokalen Anpassung festzustellen, suchen sie nach Genen, die mit der individuellen Fitness in verschiedenen natürlichen Umgebungen assoziiert sind. Weiterhin vergleichen sie die räumlichen Verteilungsmuster der adaptiven Varianten, filtern das Spezifische der Anpassung an die jeweilige Umwelt heraus und analysieren, welche Typen von Genen beteiligt sind.

Magnus Nordborg und sein Team vom Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erforschen solche Zusammenhänge an der weit über Europa verbreiteten Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana. Aktuelle Forschungsergebnisse, die in Kooperation mit Johanna Schmitt und ihrer Gruppe an der Brown University (USA) entstanden, wurden Anfang Oktober 2011 im Wissenschaftsmagazin Science publiziert. Die Autor(inn)en haben ein ganzes Set an unterschiedlichen Ökotypen von Arabidopsis thaliana an vier klimatisch sehr unterschiedlichen Orten in Europa groß gezogen, mit dem Ziel jene Gene zu identifizieren, die mit der Fitness in Zusammenhang stehen. Die Pflanzen verschiedener Herkunft mussten sich in Oulu (Finnland), Valencia (Spanien), Halle (Deutschland) und Norwich (Großbritannien) unter Freilandbedingungen bewähren - was ihnen unterschiedlich gut gelang. Das Set an Ökotypen, das den jeweils vier ausgewählten Klimabedingungen ausgesetzt wurde, zeigte auch an jedem der vier Versuchsorte charakteristische Unterschiede in Lebensdauer und Fruchtproduktion, was für die Wissenschaftler(innen) ein Hinweis auf erbliche Anpassungsunterschiede ist.

Die Autoren konnten mithilfe genomweiter Analysen (Gen-Assoziations-Landkarten) eine Anzahl von möglichen Genen identifizieren, die für diese Variation der Fitness in Frage kommen. Diese Gene zeigen sowohl geografische als auch klimatische Signaturen lokaler Adaption. Im Allgemeinen waren "high fitness"-Allele (Genausprägungen) eher bei jenen adaptiven Varianten zu finden, die näher bei den Orten wuchsen, wo die entsprechende Fitness lebensentscheidend war: Varianten mit "high fitness"-Allelen besetzten ganz spezifische, klar ausgeprägte Klimate.

Weitere Analysen zeigten, dass sich die individuellen Fitness-Gene der Ökotypen nicht nur in der Struktur, sondern auch in ihrer molekularen Funktionen unterscheiden. Das lässt den Schluss zu, dass lokale Selektion innerhalb einer Art auf zwei Ebenen ansetzt: an einem Ziel-Gen und an molekularen Prozessen. Solch unabhängige lokale Adaptionen (auf Basis bestimmter genetischer Mechanismen) könnten einer Pflanzen- oder Tierart eine flexible evolutionäre Antwort auf sich ändernde Umweltbedingungen erleichtern.


Publikation:
Fournier-Level A, Korte A, Cooper MD, Nordborg M, Schmitt J, Wilczek AM (2011) A map of local adaptation in Arabidopsis thaliana. Science 334:86-89.
Kurzfassung in Englisch


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