Pflanzen sind erstaunlich anpassungsfähig. Sie wachsen in sehr unterschiedlichen Lebensräumen – von warmen und trockenen Regionen bis hin zu kalten Gegenden. Ein Grund dafür ist die große genetische Vielfalt, die in natürlichen Populationen vorhanden ist. Unterschiedliche genetische Varianten können dazu beitragen, dass Pflanzen mit Hitze, Trockenheit, Salz oder anderen Stressfaktoren besser zurechtkommen.

Für die Forschung ist diese natürliche Variation besonders interessant. Denn während die Züchtung von Nutzpflanzen im Lauf der Zeit viele gewünschte Eigenschaften verstärkt hat, ging dabei auch ein Teil der natürlichen genetischen Vielfalt verloren. Gleichzeitig könnten gerade diese verlorenen oder bislang wenig untersuchten Varianten wichtig sein, um Pflanzen an die zunehmend schwierigen Bedingungen des Klimawandels anzupassen.

Tal Dahan-Meir forscht am Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der ÖAW zu der Anpassung von Arabidopsis (Ackerschmalwand) an unterschiedliche Umweltbedingungen. Im Gespräch erklärt sie, warum natürliche genetische Vielfalt für die Zukunft der Landwirtschaft so wichtig ist, was uns die unscheinbare Modellpflanze Arabidopsis über Anpassung verrät und weshalb die wilden Verwandten unserer Nutzpflanzen eine wichtige genetische Ressource darstellen.

Genetische Variantion ist ein entscheidender Faktor

Warum können sich manche Pflanzen besser an den Klimawandel anpassen als andere?

Tal Dahan-Meir: Es gibt zwei Hauptgründe, warum Pflanzen mit neuen oder schwierigeren Umweltbedingungen unterschiedlich gut zurechtkommen. Erstens stammen manche Pflanzen aus Regionen, in denen es schon jetzt sehr warm oder trocken ist. Ihre Anpassungen daran erlauben ihnen grundsätzlich, beispielsweise auch unter Dürre oder Extremtemperaturen zu überleben. Hinzu kommt, dass manche Pflanzen in einer Population genetische Varianten aufweisen, die ihnen ermöglichen, auch unter besonders stressreichen Bedingungen besser zu wachsen als andere. Je größer die genetische Variation, desto höher ist das Potenzial für eine erfolgreiche Anpassung an neue Umgebungen und Bedingungen.

Natürliche Pflanzenpopulationen, also Pflanzen, die nicht vom Menschen gezüchtet wurden, enthalten sehr viel genetische Variation.

Wie unterscheidet sich diese genetische Variation bei Pflanzen?

Dahan-Meir: Natürliche Pflanzenpopulationen, also Pflanzen, die nicht vom Menschen gezüchtet wurden, enthalten sehr viel genetische Variation. Durch Domestizierung und Züchtung für die Landwirtschaft haben Nutzpflanzen einen Teil dieser Variation verloren. Auch wenn wir natürliche Lebensräume für Landwirtschaft oder Urbanisierung nutzen und dadurch natürliche Populationen zerstören, geht genetische Vielfalt verloren. Deshalb ist es sehr wichtig, natürliche Lebensräume und Schutzgebiete in unterschiedlichen Regionen der Welt zu erhalten.

Warum ist diese natürliche Vielfalt auch für die Landwirtschaft wichtig?

Dahan-Meir: Wenn wir Nutzpflanzen anbauen wollen, die mit den schwierigen Bedingungen des Klimawandels zurechtkommen, brauchen wir genügend natürliche Variation für weitere Züchtungen. Wenn wir die genetische Grundlage der Anpassungen an herausfordernde Bedingungen verstehen, können wir möglicherweise Gene identifizieren, die auch bei Nutzpflanzen dabei eine Rolle spielen können. Dieses Wissen hilft uns, langfristig Pflanzen zu entwickeln, die besser mit schwierigeren Umweltbedingungen zurechtkommen.

Von einer Modellpflanze lernen

Sie arbeiten mit Arabidopsis. Warum ist gerade diese unscheinbare Pflanze für die Forschung so wichtig?

Dahan-Meir: Arabidopsis ist für die Landwirtschaft selbst keine wichtige Nutzpflanze, ist aber mit Raps und Kohlsorten eng verwandt. Als Modellpflanze ist sie vor allem aber für die Grundlagenforschung sehr bedeutend, vergleichbar mit der Maus, die oft als Modell für Säugetiere verwendet wird. Arabidopsis hat ein sehr kleines Genom, das relativ einfach untersucht werden kann. Außerdem hat die Pflanze einen kurzen Lebenszyklus und ist klein, sodass man viele Pflanzen gleichzeitig kultivieren kann. Besonders wichtig für unsere Forschung ist aber auch ihre große natürliche Variation: Arabidopsis wächst an sehr unterschiedlichen Orten, wurde dort gesammelt und wird seit vielen Jahren erforscht. Dadurch verfügen wir über umfangreiche genetische und phänotypische Ressourcen. Das ermöglicht es uns, Fragen zur Anpassung und zum Überleben unter unterschiedlichen Umweltbedingungen zu untersuchen.

Was hat die Forschung an Arabidopsis bisher über diese Anpassungen gezeigt?

Dahan-Meir: Bei Arabidopsis sehen wir eine sehr hohe genetische und auch epigenetische Variation zwischen Pflanzen von verschiedenen Standorten. Durch genetische Untersuchungen und Mutanten-Screens wurden viele Gene identifiziert, die an der Pflanzenentwicklung, an der Resistenz gegen verschiedene Stressfaktoren und auch an der Abwehr von Schädlingen beteiligt sind. In unserem Labor beschäftigen wir uns unter anderem mit der Variation der Samengröße. Besonders interessant ist dabei ein Vergleich von Pflanzen aus Schweden: Pflanzen, die direkt an der Küste wachsen, haben deutlich größere Samen als Pflanzen, die nur wenige Dutzend Meter weiter landeinwärts vorkommen. Wir vermuten, dass es sich dabei um eine lokale Anpassung handelt: An der Küste sind die Bedingungen sehr rau; der Sand ist grob und hält wenig Wasser, dazu kommen Salz und starker Wind. Größere Samen, also mehr „Vorrat“ für die Keimlinge, könnten den Pflanzen dabei helfen, sich unter diesen schwierigen Bedingungen erfolgreich anzusiedeln.

Evolutionäre Anpassung

Wie schnell kann sich ein solches Merkmal entwickeln? Reichen dafür einige Generationen?

Dahan-Meir: Nein, solche Unterschiede entstehen nicht innerhalb von nur wenigen Generationen. Die Unterschiede zwischen Küsten- und Binnenlandpopulationen bestehen schon sehr lange und wurden über viele Generationen entwickelt. Wir sprechen hier eher von einer evolutionären Zeitskala.

Was genau untersuchen Sie bei der Samengröße?

Dahan-Meir: Ich möchte herausfinden, ob es sich tatsächlich um eine lokale Anpassung handelt. Also: Ist die unterschiedliche Samengröße wirklich dafür verantwortlich, dass bestimmte Pflanzen an der Küste besser zurechtkommen? Oder gibt es andere Merkmale, die diesen Unterschied erklären? Dafür mache ich verschiedene Feldexperimente in Schweden und zusätzlich Laborexperimente am GMI. Damit versuchen wir, die genetischen und biologischen Grundlagen dieser Anpassung besser zu verstehen.

Genetische Grundlagen der Anpassungsfähigkeit

Kann diese Forschung helfen, die Folgen des Klimawandels zu bewältigen?

Dahan-Meir: Ich würde nicht sagen, dass wir damit den Klimawandel selbst bekämpfen können. Aber wenn wir die genetischen Grundlagen der Anpassungsfähigkeit verstehen, können wir möglicherweise die Prinzipien auf die verwandten Nutzpflanzen übertragen. Wenn wir verstehen, welche Gene eine bestimmte Anpassung ermöglichen, könnte dieses Wissen damit langfristig auch für die Landwirtschaft relevant werden.

Wildtomaten besitzen viele genetische Varianten.

Findet man solche wertvollen Gene auch bei den wilden Verwandten unserer Nutzpflanzen?

Dahan-Meir: Ja. Bei domestizierten Pflanzen ist ein großer Teil der natürlichen Variation verloren gegangen, bei ihren wilden Verwandten dagegen noch oft vorhanden. Ein Beispiel ist die Tomate. Wildtomaten besitzen viele genetische Varianten, darunter auch Gene, die ihnen eine Resistenz gegen verschiedene Viren verleihen können. Solche Gene können durch konventionelle Züchtung oder andere genetische Methoden in domestizierte Tomaten eingebracht werden. Das Gleiche gilt für viele andere Nutzpflanzen.

Wildpflanzen als Lehrmeister

Auch beim Weizen gibt es wilde Verwandte. Warum bauen wir nicht einfach Wildweizen an?

Dahan-Meir: Wildweizen wurde nicht auf Eigenschaften selektiert, die für die Landwirtschaft praktisch sind. Zum Beispiel zerfällt beim Wildweizen die Ähre, sodass es schwierig ist, die Samen zu sammeln. Auch das Herauslösen der Samen aus ihrer Hülle ist aufwendig. Deshalb eignet sich Wildweizen nicht einfach als moderne Nutzpflanze. Aber er besitzt eine große genetische Vielfalt und kann Gene enthalten, die Resistenz gegen Schädlinge und Viren oder Anpassungen an unterschiedliche Klimabedingungen ermöglichen. Diese Gene können wir nutzen und in leistungsfähige Sorten einbringen, die bereits für die Landwirtschaft geeignet sind.

Gilt dieses Prinzip auch für andere Nutzpflanzen wie Kartoffeln oder Brokkoli?

Dahan-Meir: Ja, grundsätzlich gilt das für alle domestizierten Pflanzen. In der Natur finden wir weiterhin ihre wilden Vorfahren und Verwandten. Dort können wir genetische Variation finden, die in den domestizierten Sorten verloren gegangen ist. Ein Beispiel ist der Weizen im Nahen Osten. Dort gibt es noch Wildweizen mit einer großen genetischen Vielfalt. Diese natürlichen Populationen sind eine wichtige Ressource für die Pflanzenforschung und möglicherweise auch für die zukünftige Landwirtschaft.

Die Natur verfügt über eine enorme genetische Vielfalt. Unsere Aufgabe ist es, sie zu verstehen – und sie zu bewahren.

Was ist für Sie die wichtigste Erkenntnis aus dieser Forschung?

Dahan-Meir: Dass wir die natürliche Variation erhalten müssen! Sie ist eine wichtige Grundlage dafür, dass Pflanzen auf unterschiedliche Umweltbedingungen reagieren und sich anpassen können. Wenn wir natürliche Lebensräume verlieren, verlieren wir gleichzeitig genetische Ressourcen, die wir vielleicht in Zukunft dringend brauchen werden. Deshalb ist Naturschutz nicht nur für die Ökosysteme selbst wichtig, sondern auch für die Landwirtschaft und unsere Fähigkeit, Pflanzen an zukünftige Bedingungen anzupassen. Die Natur verfügt über eine enorme genetische Vielfalt. Unsere Aufgabe ist es, sie zu verstehen – und sie zu bewahren.