Forschungsbericht 2022 - Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung

Anpassung an neue Umgebungen

Adapting to novel environments

Autoren
Hancock, Angela; Neto, Célia; Tergemina, Emmanuel
 
Abteilungen
Arbeitsgruppe Entwicklungsbiologie der Pflanzen
Zusammenfassung
Pflanzen bewohnen eine enorme Bandbreite an Lebensräumen. Das Erforschen, wie sie sich an bestimmte Umgebungen anpassen, liefert grundlegende biologische Erkenntnisse und Informationen, die dazu beitragen können, die Auswirkungen des Klimawandels auf natürliche und landwirtschaftliche Ökosysteme zu verringern. Wir untersuchen die Mechanismen der Anpassung in natürlichen Populationen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Dieses System ist ideal, um die biochemischen und molekularen Grundlagen der Merkmalsvariation mit ihrem ökologischen und evolutionären Kontext zu verbinden.
Summary
Plants inhabit an enormous range of habitats. Studying how they adapted to their specific environments can provide fundamental biological insights as well as information that can help to reduce the impacts of climate change on natural and agricultural ecosystems. We investigate the mechanisms of adaptation in natural populations of the molecular and eco-evolutionary model plant, Arabidopsis thaliana. This system is ideal for connecting the biochemical and molecular bases of trait variation with its ecological and evolutionary context.

Natürliche Variation in Arabidopsis thaliana Populationen

Natürliche Populationen von Arabidopsis thaliana wurden bereits untersucht, lange bevor A. thaliana zum vorherrschenden molekularen Pflanzenmodell wurde [1]. Die meisten Forschungsarbeiten zu A. thaliana konzentrierten sich auf Populationen aus Eurasien und Nordamerika, aber Arbeiten aus unserem Labor haben kürzlich gezeigt, dass die tiefsten Spaltungen innerhalb dieser Spezies durch afrikanische Linien repräsentiert werden [2]. In Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam arbeiten wir daran zu verstehen, wie sich diese Art ausbreitet und wie sich diese Populationen an die verschiedenen Umgebungen in Afrika und Eurasien anpassen.

Eine Arabidopsis Population aus einem Umweltextrem

Eine besonders interessante A. thaliana Population befindet sich auf den Kapverdischen Inseln (CVI). Sie ist ein geografischer und klimatischer Ausreißer im Vergleich zum Rest der A. thaliana-Artenverteilung. Inselpopulationen stellen vereinfachte Systeme dar, in denen komplexe Prozesse verstanden werden können. Inseln waren für die Entwicklung der Evolutionstheorie seit Darwin und Wallace von entscheidender Bedeutung. In Zusammenarbeit mit lokalen Partnern sammelten wir Samen von A. thaliana in ihrem gesamten Verbreitungsgebiet auf den Kapverden, das zwei Inseln, Santo Antão und Fogo, umfasst. Wir kamen zu dem Schluss, dass A. thaliana die Kapverden vor 5.000 bis 7.000 Jahren durch ein weiträumiges Migrationsereignis besiedelt hat (Abb. 1). Infolgedessen stellen die Inselpopulationen neue monophyletische Linien dar, analog zu den endemischen Arten, die diesen Archipel besiedeln [3]. Die jüngste Besiedlung und Isolierung der CVI-Populationen ist ein seltener Fall, der es ermöglicht, die spezifischen funktionellen genetischen Varianten zu identifizieren, die für Merkmalsänderungen verantwortlich sind, und ihre detaillierte Geschichte zu rekonstruieren.

Anpassung an eine neue Umgebung

Wir haben mehrere Hinweise gefunden, dass sich die CVI-Populationen an die neue Umgebung angepasst haben [3]. Insbesondere stellten wir fest, dass die Blütezeit verkürzt ist und deutlich mit der Fitness auf diesen trockenheitsanfälligen Inseln korreliert. Wir konnten zeigen, dass diese parallele phänotypische Verschiebung hauptsächlich auf zwei neue Varianten zurückzuführen ist, die nach der Kolonisierung entstanden sind und diejenigen Funktionen von Genen stören, die für die Vernalisationsreaktion wesentlich sind (FRI 232X, FLC 3X; Abb. 2). Unsere populationsgenetischen Rekonstruktionen und Simulationen brachten diese Varianten mit der „evolutionären Rettung“ und Etablierung auf den Kapverdischen Inseln in Verbindung. Darüber hinaus liefern unsere Ergebnisse überzeugende Beweise dafür, dass die Auslöschung oder Verringerung der Funktion des Vernalisationsweges ein gemeinsamer Weg sein könnte, um bei verschiedenen Pflanzenarten der Trockenheit zu entkommen.

Identifizierung der Schritte zu einem neuen adaptiven Optimum

Die Nährstoffhomöostase ist für ein gesundes Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung, daher beeinflussen die Bodenbedingungen das Überleben und den Fortpflanzungserfolg der Pflanzen stark. Zusätzlich zu den Herausforderungen, mit denen die kapverdischen Kolonisatoren aufgrund des trockenen Klimas konfrontiert wurden, begegneten sie also auch neuen Bodenbedingungen. In einer zweiten Studie über die CVI-Populationen von A. thaliana untersuchten wir die Anpassung an die neue Umgebung auf der Vulkaninsel Fogo. Es wurde erwartet, dass eine Population nach einer abrupten Umweltveränderung ihr neues adaptives Optimum durch einen mehrstufigen "adaptiven Spaziergang" erreicht. Allerdings ist die Rekonstruktion spezifischer Evolutionsschritte, ihrer physiologischen Auswirkungen und ihres zeitlichen Ablaufs äußerst schwierig. In einer kürzlich erschienenen Arbeit meines Labors haben wir einen solchen zweistufigen Anpassungsprozess auf Fogo aufgezeigt, in welchem sich A. thaliana an diejenigen vulkanischen Böden angepasst hat, die einen hohen Gehalt an verfügbarem Eisen, aber einen extrem niedrigen Gehalt an Mangan aufweisen [4]. Wir fanden, dass in einem ersten Anpassungsschritt eine Mutation, die den wichtigsten Eisentransporter IRT1 beeinflusst, den Mangan-Gehalt in den Blättern erhöht und gleichzeitig den Eisen-Gehalt reduziert. Anschließend entstanden auf der Insel drei unabhängige Tandemverdoppelungen des Gens eines zweiten Transporters (NRAMP1), die zu einer Erhöhung des Eisengehalts führen.

Auswirkungen auf die Verbesserung von Kulturpflanzen

Das Wissen darüber, wie sich Arten an schwierige Umgebungen anpassen, hat weiterreichende potenzielle Auswirkungen auf die Pflanzenzucht und die nachhaltige Landwirtschaft. Die Informationen über die DNA-Veränderungen, die es A. thaliana ermöglichten, auf den Kapverden zu gedeihen, geben Aufschluss darüber, wie Nutzpflanzen für ähnlich schwierige klimatische und nährstoffreiche Umgebungen verbessert werden könnten.

Literaturhinweise

Koornneef, M.; Meinke, D.
The development of Arabidopsis as a model plant
Plant Journal 61, 909-921 (2010)
Durvasula, A.; Fulgione, A.; Gutaker, R.M.; Alacakaptan, S. I.; Flood, P.; Neto, C.; Tsuchimatsu, T.; Burbano, H. A.; Picó, F. X.; Alonso-Blanco, C.; Hancock, A.M.
 African genomes illuminate the early history and transition to selfing in Arabidopsis thaliana
Proceedings of the National Academy of Sciences USA 114, 5213-5218 (2017)
Fulgione, A.; Neto, C.; Elfargi, A. F.; Tergemina, E.; Ansari, S.; Göktay, M.; Dinis, H., Döring, N.; Flood, P.; Rodriguez-Pacheco, S.; Walden, N.; Koch, M. A.; Roux, F.; Hermisson, J.; Hancock, A.M.
Parallel reduction in flowering time from new mutations enabled evolutionary rescue in colonizing Arabidopsis lineages
Nature Communications 13: 1461 (2022)
Tergemina, E.; Elfarargi, A.F.; Flis, P.; Fulgione, A.; Göktay, M.; Neto, C.; Scholle, M.; Flood, P.J.; Xerri, S.-A.; Zicola, J.; Döring, N.; Dinis, H.; Krämer, U.; Salt, D. E.; Hancock, A.M.
A two-step adaptive walk rewires nutrient transport in a challenging edaphic environment
Science Advances 8: eabm9385 (2022)
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