Evolution im Zeitraffer: Wie sich die Ackerschmalwand anpasst – oder ausstirbt

In einer bislang einzigartigen Serie von globalen Feldexperimenten, die vor zehn Jahren am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen begonnen wurde, hat ein internationales Forscherteam die Evolution der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana in Echtzeit untersucht. An 30 Standorten weltweit - von den Alpen bis zur Negev-Wüste - säten die Forschenden die Pflanzen aus, beobachteten deren Entwicklung und werteten die genetischen Veränderungen über mehrere Jahre hinweg aus. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich viele Populationen innerhalb weniger Jahre an die lokale Klimaverhältnisse anpassen konnten, während andere ausstarben. Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig die genetische Vielfalt für das Überleben einer Population ist.
 

Das Netzwerk „Genomics of Rapid Evolution in Novel Environments“ (GrENE-net) wurde 2016 von zwei Wissenschaftlern aus dem Labor von Detlef Weigel, Direktor der Abteilung für Molekularbiologie am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen, gegründet. Die Forscher waren Moisés Expósito-Alonso, damals Doktorand am Institut und heute Professor an der University of California, Berkeley, und François Vasseur, damals Postdoktorand und heute Wissenschaftler am Centre d'Écologie Fonctionnelle et Évolutive in Montpellier. Sie arbeiteten mit Niek Scheepens, damals Professor an der Universität Tübingen und heute Professor für Evolutionäre Ökologie der Pflanzen an der Goethe-Universität Frankfurt, zusammen.

Im Herbst 2017 bestückten die drei Forscher Hunderte von Plastikröhrchen mit Samenmischungen, die am Max-Planck-Institut hergestellt wurden. Die Samen stammten von mehr als zweihundert Arabidopsis thaliana-Linien aus der ganzen Welt, deren genetische Variation am Max-Planck-Institut bestimmt worden war. Die Röhrchen wurden an 30 verschiedene Orte in West- und Nordeuropa, im Mittelmeerraum und in den USA verschickt. An jedem Standort säten Biologen und Biologinnen des weltweiten Netzwerks die Samen in zwölf Parzellen von jeweils etwa einem Viertel Quadratmeter aus, wodurch jeweils zwölf verschiedene Arabidopsis Populationen entstanden. Diese Populationen pflanzten sich durch die Samenproduktion selbst fort. Bis zu fünf Jahre lang dokumentierten die Forschenden das Wachstum und Gedeihen der Pflanzen, und nahmen jährlich Gewebeproben für genetische Analysen. Dies alles geschah mit dem gemeinsamen Ziel, herauszufinden, wie sich die Pflanzen entwickeln, um den Anforderungen der höchst unterschiedlichen Standorte gerecht zu werden.

Die vom Expósito-Alonso-Team durchgeführte genetische Analyse der Pflanzenproben aus den ersten drei Jahren zeigte, dass Populationen in den meisten Klimazonen überlebten und sich an die lokalen Umweltbedingungen anpassten. Sichtbar wurde das durch Millionen Änderungen in der Gesamtheit ihrer Gene, dem Genom. Dabei waren die genomischen Veränderungen häufig in allen zwölf Populationen eines Standorts statistisch ähnlich, und Standorte mit ähnlichem Klima wiesen ähnliche genetische Veränderungen auf und betrafen etwa Gene, die die Trockentoleranz oder die Blütezeit beeinflussen.

„Unsere großen Fragen lauteten: ‚Wie schnell schreitet die Evolution voran?‘ und ‚Wann geht sie zu Ende?‘“, sagt Expósito-Alonso. "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 im Laufe der Evolution durchsetzen."

Weigel fügt hinzu: "In unserer früheren Arbeit haben wir bereits untersucht, wie schnell neue genetische Variationen durch Mutation entstehen. Jetzt haben wir einen ersten Eindruck davon, wie schnell sich diese Mutationen in einer Population durchsetzen können".

Jedoch nicht alle Ackerschmalwand-Populationen schnitten gut ab. Diejenigen an besonders heißen und trockenen Standorten starben größtenteils innerhalb von drei Jahren aus und ließen ihre Parzellen unfruchtbar zurück. Dem gingen, wie die Genomanalysen jetzt zeigten, starke genetische Schwankungen voraus, und die 12 Populationen entwickelten sich nicht alle in dieselbe Richtung.

Der Evolutionsökologe Niek Scheepens fasst zusammen: „Mit diesem Experiment können wir der Evolution sozusagen live über die Schulter schauen. Es zeigt uns: Evolutionäre Anpassung kann sehr rasch verlaufen, sofern ausreichende genetische Vielfalt vorhanden ist. Daher können seltene Pflanzen mit kleinen Populationen und entsprechend geringer genetische Vielfalt nur schlecht mit Veränderungen wie dem Klimawandel umgehen. Insgesamt ist unser Experiment ein eindringlicher Appell für den Erhalt der Biodiversität ganz allgemein: Vielfalt sichert Überleben!“

Für Weigel ist die Studie ein sehr befriedigender Meilenstein: „Ich hätte nicht glücklicher sein können, dass ein Experiment, das Labormitglieder vor zehn Jahren konzipiert haben, zu einem so spektakulären Ergebnis gekommen ist - und es ist vor allem ein Zeugnis für die wissenschaftliche Vision und die wissenschaftliche Führung von Moisés Expósito-Alonso, dessen enormes Talent schon als Doktorand offensichtlich war.“