Biologen dokumentieren die Klimaanpassung auf Genomebene bei gefährdeten Vogelarten

Wenn sich das Klima verändert, müssen sich Lebewesen auf zwei Arten an neue Umweltbedingungen anpassen – entweder geografisch oder genetisch. Während es für Wissenschaftler relativ einfach ist, die geografischen Bewegungen einer Art zu verfolgen und aufzuzeichnen, kann es viel schwieriger sein, ihre genetische Anpassung im Laufe der Zeit nachzuweisen.

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der Colorado State University in Natur Klimawandel ist einer der ersten, der die Klimaanpassung auf genomischer Ebene in einer Wildpopulation dokumentiert. Insbesondere der Südwestliche Weidenschnäpper – ein vom Aussterben bedrohter Zugvogel – hat eine Zunahme der genetischen Variation gezeigt, die mit der Toleranz gegenüber feuchteren und feuchteren Umweltbedingungen einhergeht.

Sheela Turbek, eine Postdoktorandin in der Abteilung für Biologie der CSU, leitete diese Studie, die die Genome des Weidenschnäppers über einen Zeitraum von mehr als 100 Jahren sequenzierte und DNA aus Museumsexemplaren aus dem späten 19. Jahrhundert mit modernen, heute entnommenen Proben verglich.

Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die zunehmende genetische Variation in der Population der Weidenschnäpper in San Diego, Kalifornien, ihnen eine bessere Anpassung an das sich ändernde Klima ermöglicht und dass diese genetischen Veränderungen bereits im späten 19. Jahrhundert begannen.

Klimaanpassung auf genetischer Ebene

Turbek stellte die Hypothese auf, dass der Klimawandel in San Diego, Kalifornien, wo die Wetterbedingungen im Laufe der Zeit feuchter und feuchter geworden sind, zu genetischen Veränderungen in Wildpopulationen führen würde.

„Wir haben über 200 zeitgenössische Proben des Weidenschnäppers verwendet, um das genetische Material nach bestimmten Regionen des Genoms zu durchsuchen, die mit wichtigen Umweltvariablen verbunden sind“, sagte Turbek.

„Dazu gehören Dinge wie monatlicher Niederschlag und monatliche Höchsttemperatur. Nachdem wir die Regionen der DNA identifiziert hatten, von denen wir glauben, dass sie an der Klimaanpassung beteiligt sind, extrahierten wir die genetischen Informationen aus diesen Regionen sowohl in unseren historischen als auch in unseren modernen Proben aus San Diego.“

Ihre Arbeit ergab, dass die genetische Variation bei Weidenschnäppern von früher bis heute zugenommen hat und dass sich genetische Regionen, die mit Feuchtigkeit und Niederschlag in Weidenschnäppern verbunden sind, beide in eine Richtung verschoben haben, die mit der Klimaanpassung vereinbar ist.

Nachweis der genetischen Anpassung im Laufe der Zeit

Turbek, der Teil von Kristen Rueggs Labor an der CSU ist, nahm diese Forschung auf, nachdem Ruegg und seine Mitarbeiter etwa zehn Jahre lang an einem ähnlichen Projekt gearbeitet hatten. Die zur Sequenzierung ganzer Genome erforderliche Technologie hat sich in den 2010er Jahren erheblich weiterentwickelt, so dass diese Arbeit heute möglich ist.

Turbek konzentrierte sich aufgrund seines gefährdeten Status auf den Südwestlichen Weidenschnäpper. Rueggs Grundlagenforschung zeigte, dass sich die Vögel lokal an unterschiedliche Klimabedingungen im Weltraum angepasst hatten.

„Der Weidenschnäpper besteht aus vier verschiedenen Unterarten, und die Unterart im Südwesten erlebte einen wirklich starken Bevölkerungsrückgang und wurde 1995 als bundesweit gefährdet eingestuft“, sagte Turbek. „Daher besteht großes Interesse seitens der Regierungsbehörden daran, diese Unterart wirksam zu bewirtschaften und sie vor dem klimabedingten Aussterben zu bewahren, von dem Kristen gezeigt hat, dass es in Zukunft potenziell zu Problemen kommen könnte.“

Der Nachweis einer genetischen Anpassung im Laufe der Zeit ist viel komplizierter.

Jahrzehnte alte Proben enthalten häufig degradierte, verunreinigte oder ertragsarme DNA, weshalb es bisher schwierig war, genetische Anpassungen mit hinreichender Sicherheit nachzuweisen.

„Museen schicken uns einen kleinen Ausschnitt aus einem Zehenpolster, der oft sehr niedrige DNA-Konzentrationen aufweist, sodass es schwierig ist, genügend DNA-Daten zu erhalten, um eine gute Vorstellung davon zu bekommen, wie der genetische Code aussieht“, sagte Turbek.

Nach jahrelangen Bemühungen, das historische Genom zu sequenzieren und die historischen Ergebnisse mit modernen Proben zu vergleichen, stellten die Forscher fest, dass die genetische Variation des Weidenschnäppers im Laufe der Zeit zugenommen hatte.

„Wir glauben, dass es tatsächlich die Vermischung oder der Genfluss in die Population benachbarter Populationen war, der dazu beitrug, den Genpool der Weidenschnäpper in der Gegend von San Diego wiederherzustellen“, sagte Ruegg.

Validierung von Vorhersagen über die Auswirkungen des Klimawandels

Turbek und Ruegg freuen sich, die Vorhersagen der Wissenschaftler darüber bestätigen zu können, wie sich einige Arten an den Klimawandel anpassen werden.

„Der vom Menschen verursachte Klimawandel hat wirklich drastische Auswirkungen auf die Fortpflanzungsaktivitäten vieler Arten und wird viele Organismen an den Rand des Aussterbens bringen“, sagte Turbek.

„Die Tatsache, dass wir dieses Ausmaß der Anpassung über einen Zeitraum von einem Jahrhundert dokumentieren können, ist insofern etwas ermutigend, als diese Vögel offenbar auf das Ausmaß des Klimawandels reagieren, der bereits stattgefunden hat. Dies kann uns helfen, besser vorherzusagen, was passieren wird.“ was in Zukunft passieren wird und wie Arten darauf reagieren könnten.