Wie Pflanzen weltweit auf den Klimawandel reagieren

Seit die Biologie die potenziellen Folgen des Klimawandels erkannt hat, beschäftigt sie die folgende Frage: Können Pflanzen sich schnell genug evolutionär verändern, um sich an einen immer wärmer werdenden Planeten anzupassen? Bislang fanden Experimente zu diesem Thema meist isoliert statt, die Fortschritte waren entsprechend schleppend.

Deshalb initiierte Professor Moisés Expósito-Alonso von der University Cal Berkley (USA) ein internationales Netzwerk an Forschenden: „Genomics of rapid Evolution to Novel Environment“ (GrENE).

In 30 verschiedenen Klimazonen – von Westeuropa, über den Mittelmeerraum, den Nahen Osten bis nach Nordamerika – legten Forschende 360 kleine Beete mit Modellpflanzen an. An der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ist ein Team um Professor Arthur Korte (Bioinformatik) und Dr. Daniel Maag (Pharmazeutische Biologie) an der Studie beteiligt.

Versuchsbeete im Botanischen Garten

Im Zentrum des Experiments stand eine genetisch vielfältige Mischung der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, einer einjährigen Art aus der Familie der Kreuzblütler. Die Pflanzen konnten an den verschiedenen Standorten fünf Jahre lang unbeeinflusst wachsen und evolvieren. Ziel des Experiments war es, herauszufinden, wie schnell sich die Pflanzen unter unterschiedlichen Klimastressoren entwickeln.

Das Experiment lief von 2017 bis Frühjahr 2022. Eine aktuelle Publikation in der renommierten Fachzeitschrift Science umfasst nun die genomischen Analysen über die ersten drei Jahre.

In Würzburg wurden die Experimente im Botanischen Garten vorgenommen. „Ein tolles Zeichen für die gute internationale Vernetzung sowie die Einbindung des Botanischen Gartens in die Forschung“, findet Arthur Korte.

Von dem Experiment versprachen sich die Forschenden Informationen über die Geschwindigkeit evolutionärer Prozesse sowie die damit einhergehenden genetischen Veränderungen. Diese sind entscheidend für die Entwicklung von Modellen, mit denen sich gefährdete Pflanzen- und Tierarten identifizieren lassen, wenn sich ihre Umwelt verändert.

Hitze als potenzielles Problem

Auch an der Analyse der ersten drei Jahre genomischer Daten aus dem Experiment waren die Würzburger Forschenden beteiligt. Es zeigte sich: In den meisten Fällen entwickelten sich die Pflanzen genetisch so weiter, dass sie sich an die neuen Umweltbedingungen anpassten. Einige Populationen, insbesondere in besonders warmen Klimazonen, zeigten jedoch keinerlei frühe Anpassung. Stattdessen verlief ihre Entwicklung scheinbar zufällig und führte letztlich zum Aussterben.

Die zentralen Fragen: Wie schnell verläuft Evolution? Und wann setzt sie nicht ein? „Wir konnten zeigen, dass dieses Tempo – bei ausreichender genetischer Vielfalt – drei, vier oder fünf Jahre betragen kann. Zum ersten Mal können wir direkt beobachten, wie sich bestimmte DNA-Varianten – adaptive Varianten – in Populationen durchsetzen,“ so Expósito-Alonso.

Eine zentrale Erkenntnis: In den wärmsten Klimazonen – angesichts der weltweiten klimatischen Entwicklung eine besonders relevante Gruppe – überlebten Populationen mit vorhersehbaren evolutionären Veränderungen, während jene mit chaotischen genetischen Entwicklungen ausstarben.

Schnelle Anpassung an den Klimawandel ist also möglich, extreme Hitze begrenzt aber die Populationsgröße und kann Populationen über einen evolutionären Kipppunkt hinaus in Richtung Aussterben treiben.

Anpassen oder aussterben

Ziel des Projekts war es nicht nur, die Geschwindigkeit evolutionärer Anpassung zu messen, sondern auch jene Genvarianten beziehungsweise Mutationen zu identifizieren, die eine Anpassung an veränderte Umweltbedingungen ermöglichen. Deshalb enthielt jede Versuchsfläche eine genetisch vielfältige Population von mehreren hundert Pflanzen, die aus unterschiedlichen natürlichen Vorkommen von Arabidopsis stammten. Diese Vielfalt sollte gewährleisten, dass zumindest einige Individuen die seltenen Gene tragen, die für eine erfolgreiche Anpassung notwendig sind.

Sind solche seltenen Genvarianten – sogenannte Allele – vorhanden, sollte sich die Anpassung in Veränderungen der genetischen Zusammensetzung zeigen: etwa durch Zu- oder Abnahmen bestimmter Allelhäufigkeiten, das Auftreten neuer Mutationen oder deren Neukombination.

Um diese Veränderungen zu erfassen, entnahmen die Forschenden jedes Frühjahr Proben von Blüten und sequenzierten die vollständigen Genome der Pflanzen. Auf Grundlage von Sequenzen von über 70.000 überlebenden Pflanzen aus mehr als 2.500 zeitlich und räumlich gestaffelten Stichproben konnten sie Millionen von Veränderungen in exprimierten Genen identifizieren, die die Anpassungsversuche der Populationen widerspiegeln. Diese genetischen Veränderungen unterschieden sich zwischen verschiedenen Klimazonen, waren jedoch innerhalb ähnlicher Klimata vergleichbar – ein Hinweis auf die Reproduzierbarkeit der Anpassungsprozesse.

Ein klarer Hinweis auf natürliche Selektion – also das Überleben der am besten angepassten Individuen – war, dass mehrere der zwölf Versuchsflächen an einem Standort ähnliche Veränderungen in den Genfrequenzen zeigten. Ähnliches galt für Standorte mit vergleichbaren Umweltbedingungen, etwa trockene Strauchlandschaften in Spanien und Griechenland. Insgesamt wurde dies an 24 der 30 Standorte beobachtet. Besonders betroffen waren Gene, die auf Hitzestress reagieren oder die Blühzeitpunkte steuern.

Während gewisse genetische Veränderungen aufgrund der hohen Vielfalt und der starken Klimabelastung zu erwarten waren, überraschte insbesondere die Geschwindigkeit, mit der sich die Allelfrequenzen veränderten. Dies geschah schneller als von vielen Forschenden erwartet.

Allerdings zeigte sich nicht in allen Versuchsflächen eine erfolgreiche Anpassung – einige Populationen starben aus.

In manchen Klimazonen traten entweder gar keine Veränderungen auf oder die beobachteten Veränderungen waren nicht konsistent. In diesen Fällen handelte es sich eher um genetische Drift – also zufällige Veränderungen – und nicht um durch natürliche Selektion getriebene Evolution.

Da die Forschenden jede der 360 Versuchsflächen über mehrere Jahre hinweg jährlich beprobten, konnten sie zeigen, dass Populationen mit zufälligen oder ausbleibenden genetischen Veränderungen in den ersten Jahren schließlich ausstarben.

„Damit eine Population unter sich wandelnden Klimabedingungen langfristig überleben kann, muss sie höchstwahrscheinlich durch natürliche Selektion gehen“, so Expósito-Alonso. „Ohne eine Art evolutionäre Rettung – also ohne Genotypen mit höherer Fitness, die sich durchsetzen und die Allelfrequenzen verschieben – kann eine Population ihre Größe zumindest in warmen Umgebungen nicht über fünf Jahre hinweg aufrechterhalten.“

Fundierte Prognosen ermöglichen

Auf Basis des erworbenen Wissens über Arabidopsis können nun fundierte Vorhersagen zu verschiedensten Arten getroffen werden. „Mit solchen Modellen, kalibriert an einer Modellart und kombiniert mit einem tiefen Verständnis der Evolutionsgeschwindigkeit und der Anpassungsfähigkeit, könnten wir potenziell Hunderten oder Tausenden von Arten helfen,“ so Expósito-Alonso.

Publikation

Xiung Wu et al.: Rapid adaptation and extinction in synchronized outdoor evolution experiments of Arabidopsis in Science, 26. March, DOI: https://doi.org/10.1126/science.adz0777