Vor mehr als 50 Jahren entdeckte der US-Ökologe Robert Paine an der Küste eines felsigen Gezeitentümpels, dass die Entfernung einer einzigen Art aus einem Ökosystem seine Struktur und Funktion dramatisch verändern könnte. Er hatte entdeckt, dass Seesterne als Schlüsselarten fungieren, da ihre Anwesenheit und Rolle als Top-Raubtier die Koexistenz verschiedener Arten in der felsigen Gezeitenzone aufrechterhielt.
Pflanzenabwehrgene, die mit einem vereinfachten Ökosystem im Labor getestet wurden
Ein Team aus Ökologen und Genetikern der Universität Zürich (UZH) und der University of California, Davis hat nun herausgefunden, dass eine Mutation in einem einzelnen Gen auch die Struktur und Funktion eines Ökosystems dramatisch verändern kann. Die Studie, erschienen in Wissenschaft, legt nahe, dass ein Gen nicht nur Informationen codiert, die die Fitness eines Organismus bestimmen, sondern auch die Persistenz interagierender Arten in einer ökologischen Gemeinschaft beeinflussen kann. Die Entdeckung von Jordi Bascompte, Professor am Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften der UZH, und seinem Team wurde mithilfe eines experimentellen Ökosystems im Labor mit einem Raubtier (einer Schlupfwespe), zwei Pflanzenfressern (Blattläuse) und der Pflanze Arabidopsis thaliana gemacht – ein genetischer Modellorganismus.
Das „Keystone-Gen“ kann den Zusammenbruch des Ökosystems verhindern
Die Forscher testeten die Wirkung von drei Pflanzengenen, die das natürliche Arsenal chemischer Abwehrstoffe der Pflanze gegen Pflanzenfresser steuern. Sie fanden heraus, dass die Pflanzenfresser und Raubtiere in ihrer experimentellen Gemeinschaft mit größerer Wahrscheinlichkeit auf Pflanzen mit einer Mutation an einem einzigen Gen namens AOP2 überleben. „Diese natürliche Mutation bei AOP2 beeinflusste nicht nur die Chemie der Pflanze, sondern ließ die Pflanze auch schneller wachsen, was wiederum dazu beitrug, dass Pflanzenfresser und Raubtiere koexistieren und so den Zusammenbruch des Ökosystems verhinderten“, erklärt UZH-Wissenschaftler und Erstautor Matt Barbour. Ähnlich wie eine Keystone-Art wie der Seestern fungiert AOP2 als „Keystone-Gen“, das für das Überleben des experimentellen Ökosystems entscheidend ist.
Auswirkungen auf den aktuellen Artenschutz
Die Entdeckung eines Keystone-Gens wird wahrscheinlich Auswirkungen darauf haben, wie die Biodiversität in einer sich verändernden Welt erhalten werden kann. Insbesondere sollten Erkenntnisse aus Genetik und ökologischen Netzwerken einbezogen werden, wenn es darum geht, die Folgen der genetischen Veränderung für den Bestand der Biodiversität skalenübergreifend vorherzusagen. Individuen mit unterschiedlichen Varianten eines Gens oder sogar genetisch veränderte Organismen könnten zu bestehenden Populationen hinzugefügt werden, um vielfältigere und widerstandsfähigere Ökosysteme zu fördern. Eine scheinbar kleine genetische Veränderung könnte jedoch eine Kaskade unbeabsichtigter Folgen für Ökosysteme auslösen, wenn sie nicht zuerst im Detail untersucht wird. „Wir fangen gerade erst an, die Auswirkungen genetischer Veränderungen auf die Interaktion und Koexistenz von Arten zu verstehen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der derzeitige Verlust der genetischen Vielfalt kaskadierende Auswirkungen haben kann, die zu abrupten und katastrophalen Veränderungen in der Beständigkeit und Funktionsweise terrestrischer Ökosysteme führen können “, sagt Barbour.
Matthew A. Barbour et al., Ein Keystone-Gen liegt der Persistenz eines experimentellen Nahrungsnetzes zugrunde, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abf2232