Eine Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Wachstumsrate tropischer Bäume und der Häufigkeit genetischer Mutationen, die sie anhäufen, legt nahe, dass ältere, langlebige Bäume eine größere Rolle bei der Erzeugung und Erhaltung der genetischen Vielfalt spielen als kurzlebige Bäume.
Die Studie wurde heute als Reviewed Preprint in veröffentlicht eLifeliefert, was die Herausgeber als überzeugenden Beweis bezeichnen, dass Baumarten unabhängig von der Zellteilung und unabhängig von ihrer Wachstumsrate mit einer ähnlichen jährlichen Rate Mutationen erwerben.
Die Ergebnisse können als Grundlage für Strategien zum Schutz von Ökosystemen dienen, insbesondere in den tropischen Wäldern Südostasiens, die durch Klimawandel und Entwaldung bedroht sind.
„Biodiversität resultiert letztlich aus Mutationen, die den Organismen eine genetische Variation ermöglichen, damit sie sich an ihre Umgebung anpassen können“, erklärt Co-Hauptautorin Akiko Satake, Professorin am Fachbereich Biologie der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kyushu, Japan. „Wie und wann diese Mutationen in natürlichen Umgebungen auftreten, ist jedoch kaum bekannt.“
Somatische Mutationen sind spontane Veränderungen in der DNA eines Organismus, die im Laufe seines Lebens auftreten. Sie können durch externe Faktoren wie ultraviolette Strahlung oder interne Faktoren wie DNA-Replikationsfehler entstehen. Es ist nicht klar, welcher dieser Faktoren häufiger Mutationen verursacht, insbesondere in tropischen Ökosystemen und Bäumen, die nicht so gut charakterisiert sind wie ihre gemäßigteren Gegenstücke.
Um dies besser zu verstehen, untersuchten Satake und Kollegen die Häufigkeit und Muster somatischer Mutationen in zwei Arten tropischer Bäume, die in Zentral-Borneo, Indonesien, heimisch sind: dem langsam wachsenden Shorea laevis (S. laevis) und dem schnell wachsenden S. leprosula. Die Art S. leprosula wächst mehr als dreimal schneller als S. laevis.
Der Vergleich der somatischen Mutationen der beiden Baumarten ermöglichte es dem Team, Einblicke in den Einfluss der Wachstumsrate auf die Anhäufung dieser Mutationen und ihre mögliche Rolle bei der Förderung der Evolution und Artenvielfalt zu gewinnen.
Sie sammelten sieben DNA-Proben aus den Blättern auf der höchsten Ebene der Baumzweige sowie Proben aus dem Stamm jedes Baumes, insgesamt also 32 Proben. Die Länge und der Durchmesser der Bäume in Brusthöhe wurden verwendet, um das Durchschnittsalter jeder Art im Probenahmegebiet zu bestimmen. S. laevis-Bäume waren im Durchschnitt 256 Jahre alt, während S. leprosula-Bäume im Durchschnitt 66 Jahre alt waren.
Um die vorhandenen Mutationen zu identifizieren, erstellte das Team anhand der aus den Blättern gesammelten DNA einen genetischen Referenzdatensatz für jede Baumart. Die Genomsequenz wurde mithilfe einer Technik namens Long-Read-PacBio-RS-II- und Short-Read-Illumina-Sequenzierung bestimmt. Das Team extrahierte zweimal DNA aus jeder Probe und konnte so einzelne Nukleotidvarianten (SNVs) innerhalb desselben Individuums lokalisieren, indem es diejenigen identifizierte, die zwischen den beiden Proben identisch waren.
Es wurde festgestellt, dass die meisten Mutationen innerhalb eines einzelnen Baumzweigs vorhanden waren. Allerdings wurden einige Mutationen über mehrere Zweige hinweg gefunden, was darauf hindeutet, dass sie irgendwann während des Wachstums des Baumes zwischen Zweigen übertragen wurden.
Bei beiden Arten stellte das Team einen linearen Anstieg der Anzahl der Mutationen mit der physischen Entfernung zwischen den Zweigen fest. Die Mutationsrate pro Meter war im langsam wachsenden S. leavis im Durchschnitt 3,7-mal höher als im schnell wachsenden S. leprosula, was darauf hindeutet, dass langsam wachsende Bäume mehr somatische Mutationen anhäufen.
Wenn man jedoch die Unterschiede in den Wachstumsraten berücksichtigt und die Mutationsrate pro Jahr berechnet, wiesen die beiden Arten gleiche Raten auf. Dieser Befund legt nahe, dass sich somatische Mutationen mit zunehmendem Alter eines Baumes uhrartig anhäufen, unabhängig von der DNA-Replikation und der Wachstumsrate.
„Wir fanden auch heraus, dass somatische Mutationen innerhalb eines Individuums neutral sind – das heißt, sie sind weder vorteilhaft noch schädlich für das Überleben. Allerdings unterliegen diese Mutationen, die an die nächste Generation weitergegeben werden, während der Samenkeimung und des Samenwachstums einer starken natürlichen Selektion“, sagt Co- Hauptautor Ryosuke Imai, Postdoktorand in der Abteilung für Biologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Kyushu-Universität.
„Das deutet darauf hin, dass sich somatische Mutationen mit der Zeit anhäufen und ältere Bäume mehr zur genetischen Variation und Anpassung an ihre Umwelt beitragen, wodurch sich die Überlebenschancen ihrer Art erhöhen.“
Imai und Kollegen ermutigen zu weiterer Forschung auf diesem Gebiet. Sie sagen insbesondere, dass eine mathematische Modellierung erforderlich sei, um die asymmetrische Teilung von Zellen während der Verlängerung und Verzweigung zu berücksichtigen und die Ergebnisse weiter zu validieren.
„Bei Bäumen können somatische Mutationen auf Samen übertragen werden, was zu umfangreichen genetischen Variationen innerhalb nachfolgender Generationen führt“, erklärt einer der Autoren Masahiro Kasahara, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Computerbiologie und medizinische Wissenschaften der Universität Tokio, Japan. „Da die tropischen Regenwälder Südostasiens den Bedrohungen durch Klimawandel und Abholzung ausgesetzt sind, legt unsere Studie nahe, dass langlebige Bäume eine entscheidende Rolle bei der Erhaltung und Steigerung der genetischen Variation dieser tropischen Systeme spielen könnten.“
Mehr Informationen:
Ryosuke Imai et al., Die molekulare Uhr in langlebigen tropischen Bäumen ist unabhängig von der Wachstumsrate, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.88456.1