Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Vorhersagen zur Anpassungsfähigkeit von Wildpflanzen an ein sich wandelndes Klima

Autoren
Weigel, Detlef
Abteilungen
Molekularbiologie
Zusammenfassung
Wie reagieren wilde Arten auf den dramatischen Klimawandel, den wir zurzeit erleben? Wissenschaftler am Institut haben festgestellt, dass die Anpassungsfähigkeit an extreme Klimaereignisse selbst innerhalb einer einzelnen Pflanzenart schon sehr unterschiedlich verteilt ist. Vorhersagen zur zukünftigen Verbreitung von Arten sind daher nur sinnvoll, wenn sie Unterschiede nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb von Arten berücksichtigen.

Traditionelle Modelle zur Vorhersage von Klimawandelfolgen

Der fortschreitende Klimawandel hat die Verbreitung vieler Pflanzen bereits beeinflusst [1] und es ist von offensichtlichem Interesse, bessere Modelle zu entwickeln, mit denen sich weitere Veränderungen vorhersagen lassen. Bislang sind solche Modelle meist einfach und gehen davon aus, dass man das zukünftige Verbreitungsgebiet einer Art daraus ableiten kann, unter welchen Klimabedingungen diese Art heute vorkommt. Aktuellen Szenarien folgend würden sich Verbreitungsgebiete in Europa daher vornehmlich nach Norden oder in höher gelegene Regionen verschieben. Dies würde jedoch eine erhebliche Mobilität von den Arten verlangen. Darüber hinaus wird außer Acht gelassen, dass die Mitglieder einer Art oft sehr unterschiedlich sind und sich auch vor Ort anpassen können, wenn entsprechende Genvarianten bereits vorhanden sind.

Geographische und genetische Verteilung von Trockenheitsresistenz

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Abb. 1: Oben, Geografische Verteilung von 70 genetischen Varianten, die der Ackerschmalwand helfen, lange Trockenperioden zu überleben. Mitte, Vorhersage der zusätzlichen genetischen Varianten, die einzelne lokale Sorten benötigen werden, um das für 2070 erwartete Klima zu überstehen. Unten, Lokales Defizit oder Überschuss der Mindestanzahl vorteilhafter Genvarianten.

Die genetische Vielfalt ist bei keiner anderen Wildpflanze so gut dokumentiert wie bei der Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, die in großen Teilen Nordafrikas und Eurasiens heimisch ist [2]. Wissenschaftler am Institut haben herausgefunden, dass Sorten aus unterschiedlichen Gegenden sich stark in ihrer Fähigkeit unterscheiden, eine längere Trockenheit zu überstehen [3]. Dabei ist wenig erstaunlich, dass gerade Sorten aus dem Mittelmeer solche Fähigkeiten aufweisen, aber es gibt auch überraschend viele skandinavische Sorten, die Dürreperioden gut verkraften. Eine Erklärung dafür ist, dass dort im Winter und Frühjahr Wasser als Schnee und Eis gebunden ist und deshalb den Pflanzen nur wenig Wasser zur Verfügung steht.

Da die Ursprungsorte der untersuchten Sorten genau bekannt waren, konnten die Wissenschaftler mit modernen statistischen Verfahren eine Karte erstellen, aus der hervorgeht, wie extreme Dürretoleranz in Abhängigkeit vom lokalen Klima geografisch verteilt ist. Außerdem lag gleichzeitig die gesamte Erbgutinformation aller Sorten vor, sodass parallel dazu Genvarianten identifiziert werden konnten, die für diese Eigenschaft verantwortlich sind. Im letzten Schritt konnte dann die geografische Verteilung dieser Varianten genau nachverfolgt werden.

Wie bei vielen anderen Merkmalen, wird auch die Fähigkeit, Trockenperioden zu überstehen, von vielen Dutzenden Genen bestimmt, die vorwiegend additiv zu wirken scheinen. Das bedeutet, dass eine Sorte mit 40 vorteilhaften Varianten eine Trockenheit etwa doppelt so gut übersteht wie eine Sorte mit nur 20 vorteilhaften Varianten. Wie viele vorteilhafte Genvarianten einzelne Sorten haben, variiert dementsprechend stark – ebenso wie das lokale Klima. Die geografische Verteilung der Varianten stimmt insbesondere mit dem Befund überein, dass Pflanzen aus dem Mittelmeerraum und entlang der schwedischen Ostseeküste im Durchschnitt wesentlich länger der Trockenheit standhalten können als solche aus Mitteleuropa, wo Sorten mit vielen vorteilhaften Genvarianten viel seltener sind (Abb. 1, oben).

Vorhersagen der lokalen Anpassungsfähigkeit

Vorhersagen des zukünftigen Klimas werden von Jahr zu Jahr genauer. Als erstes bestimmten die Wissenschaftler daher, wie viele Genvarianten, die zur Trockenheitsresistenz beitragen, im Jahr 2070 in verschiedenen Regionen Europas, Asiens und Nordafrikas benötigt werden. Daraus ließ sich die notwendige Zunahme von genetischen Varianten ableiten, damit lokale Sorten auch in Zukunft am jeweiligen Standort überleben können (Abb. 1, Mitte). Im letzten Schritt konnten die Wissenschaftler dann errechnen, ob diese Mindestanzahl überall erreicht werden kann (Abb. 1, unten). Überraschenderweise wird es Anpassungsdefizite eher in Mitteleuropa als im Mittelmeerraum geben [3]. Dies kann dadurch erklärt werden, dass das Klima im Mittelmeerraum bereits jetzt sehr trocken ist. Starke Dürreperioden werden dort eine geringere Veränderung zum jetzigen Zustand darstellen als in Mitteleuropa.

In den einfachen Modellen wurde noch nicht berücksichtigt, dass verschiedene Sorten der Ackerschmalwand sich untereinander kreuzen können. Auch wenn jede lokale Sorte nur wenige vorteilhafte Genvarianten trägt, kann deren Anzahl in einer einzelnen Pflanze infolge von Kreuzungen erhöht werden. Voraussetzung dafür ist, dass unterschiedliche Sorten auch verschiedene Kombinationen an genetische Varianten enthalten. Viele Varianten, die den Pflanzen helfen, eine Dürre zu überstehen, sind in Mitteleuropa jedoch selten oder fehlen ganz. Damit lokale Populationen der Ackerschmalwand überleben, bedarf es daher der Einwanderung von Sorten aus dem Mittelmeerraum. Ob dies in ausreichendem Maße auf natürliche Weise geschehen kann, ist bislang leider nicht bekannt. Mitteleuropäische Populationen könnten daher bis zum Ende unseres Jahrhunderts einem Anpassungsdefizit zum Opfer fallen.

Insgesamt haben diese Untersuchungen gezeigt, dass für das Überleben von Dürreperioden vorteilhafte Genvarianten eher an den Rändern des Verbreitungsgebiets der Ackerschmalwand vorkommen. Die bereits vorhandene Anpassung an extremes Klima in den Randregionen könnte daher entscheidend für das Fortbestehen der Art im Verlauf des Klimawandels sein. Für genauere Vorhersagen ist es allerdings nötig, noch viele weitere Aspekte des Klimawandels zu berücksichtigen, wie beispielsweise Verschiebungen in der Verbreitung von Schädlingen und anderen Konkurrenten. Wahrscheinlich das wichtigste Fazit ist jedoch, dass Arten nicht als eine starre Einheit betrachtet werden dürfen, sondern dass ihrer genetischen Vielfalt – und auch den Grenzen der innerartlichen Vielfalt – Rechnung getragen werden muss.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind in [3] veröffentlicht. Mitglieder des Teams, die zu dieser Forschung beigetragen haben, sind Moises Exposito-Alonso, Francois Vasseur, Wei Ding, George Wang, Hernán A. A. Burbano und Detlef Weigel. Diese Forschung wurde durch den Präsidentenfonds der Max-Planck-Gesellschaft und einen ERC Advanced Grant (IMMUNEMESIS) unterstützt.

Literaturhinweise

1.
Parmesan, C.; Yohe, G.
A globally coherent fingerprint of climate change impacts across natural systems
Nature 421, 37–42 (2003)
2.
1001 Genomes Consortium
1,135 Genomes reveal the global pattern of polymorphism in Arabidopsis thaliana
Cell 166, 481–491 (2016)
3.
Exposito-Alonso, M.; Vasseur, F.; Ding, W.; Wang, G.; Burbano, H. A. A.; Weigel, D.
Genomic basis and evolutionary potential for extreme drought adaptation in Arabidopsis thaliana
Nature Ecology & Evolution 2, 352–358 (2018)
DOI
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