Ökologische Genomik

Die moderne Biologie deckt ein ungemein breites Spektrum ab: von grundlegenden Vorgängen in den Zellen bis hin zum globalen Ökosystem »Erde«. Dabei waren genetische und ökologische Forschungen bisher kaum verknüpft. Zwar weiß man schon lange, dass sich Organismen an wechselnde Umweltbedingungen anpassen, die genetischen Prozesse dahinter blieben aber oft rätselhaft. Ein neu­es, multidisziplinäres Forschungsgebiet – die ökologische Genomik – will diese Lücke schließen und eine wichtige Frage der Biologie klären: die nach den genetischen Grundlagen evolutionärer Anpassungen.

Herkömmliche genetische Analysen sind technisch aufwändig. Deshalb beschränkten sich Forscher auf die Untersuchung ausgewählter Modellorganismen. So eignen sich Fadenwürmer oder Taufliegen auf Grund ihres kurzen Lebens besonders gut für Laborexperimente. In ihrem künstlichen Umfeld stellen sie gewissermaßen Abstraktionen natürlicher biologischer Systeme dar. Daraus lässt sich freilich nur begrenzt ableiten, wie frei lebende Populationen mit ihrer Umwelt interagieren^1–3.

Zudem konzentrierte sich die traditionelle Genetik darauf, einzelne Erbfaktoren zu untersuchen, die jeweils ein bestimmtes qualitatives Merkmal im Erscheinungsbild, dem Phänotyp, hervorrufen. Meist beeinflusst aber eine Vielzahl von Genen die Ausprägung von Merkmalen, die für Interaktionen mit der Umwelt entscheidend sind. Im Phänotyp äußert sich dies in einer breiten Palette von Varianten mit fließenden Übergängen (Bild 1). Forscher sprechen hier von quantitativen Merkmalen.

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Bild 1 | Variationen der wild wachsenden Blütenpflanze Arabidopsis thaliana. Die Individuen dieser Art zeigen... [mehr]

Bild 1 | Variationen der wild wachsenden Blütenpflanze Arabidopsis thaliana. Die Individuen dieser Art zeigen eine große Spannbreite in Morphologie und Größenwachstum – auch wenn sie unter identischen Bedingungen im Gewächshaus gezogen werden. Typischerweise zeugen solche Merkmale von einer großen Variabilität der ein Merkmal bestimmenden multiplen Gene. [weniger]

Bild 1 | Variationen der wild wachsenden Blütenpflanze Arabidopsis thaliana. Die Individuen dieser Art zeigen eine große Spannbreite in Morphologie und Größenwachstum – auch wenn sie unter identischen Bedingungen im Gewächshaus gezogen werden. Typischerweise zeugen solche Merkmale von einer großen Variabilität der ein Merkmal bestimmenden multiplen Gene.

© Janne Lempe und Detlef Weigel, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

© Janne Lempe und Detlef Weigel, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Die bisherige Genomforschung auf ­natürliche Populationen auszudehnen, eröffnet somit Chancen, die genetischen Grundlagen von Anpassungen wie auch Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt zu entschlüsseln. Für die genetische Untersuchung quantitativer Merkmale in einer Population gibt es verschiedene Verfahren – die »Quantitative Trait Locus«-Analyse (QTL) etwa oder die »genomweiten Assoziationsstudien« (GWAS). Bei Letzteren vergleichen Forscher phänotypische Daten einer natürlichen Population mit einer Vielzahl so genannter Sequenzmarker im Genom – und das bei tausenden Individuen⁴. Über statistische Analysen ermitteln sie dann jene Regionen der DNA, die mit der Ausprägung des Merkmals korrelieren.

>> Die ökologische Genomik vereint unterschiedliche biologische Disziplinen und offenbart die Mechanismen der Biodiversität