Pflanzliche Kältespezialisten wie der Löffelkraut haben sich gut an das kalte Klima der Eiszeiten angepasst. Im Wechsel von Kalt- und Warmzeiten entwickelten sie zahlreiche Arten, was auch zu einer Vermehrung des Genoms führte.
Evolutionsbiologen der Universitäten Heidelberg, Nottingham und Prag untersuchten nun, welchen Einfluss diese Genomverdoppelung auf das Anpassungspotenzial von Pflanzen hat. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Polyploiden – also Arten mit mehr als zwei Chromosomensätzen – eine Häufung struktureller Mutationen mit Signalen für eine mögliche lokale Anpassung auftreten kann, die es ihnen ermöglicht, ökologische Nischen immer wieder neu zu besetzen.
Die Gattung der Löffelkrautgewächse aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) hat sich vor mehr als zehn Millionen Jahren von ihren mediterranen Verwandten abgespalten. Während sich ihre direkten Nachkommen auf die Reaktion auf Trockenstress spezialisierten, eroberten die Löffelkrautgewächse, lateinisch Cochlearia, zu Beginn der Eiszeit vor 2,5 Millionen Jahren die kalten und arktischen Lebensräume. In früheren Untersuchungen untersuchten Forscher um Prof. Dr. Marcus Koch, wie sich die Cochlearia in den letzten zwei Millionen Jahren immer wieder an die rasch wechselnden Kalt- und Warmperioden anpassen konnten.
Unter anderem entwickelten die neu entstandenen kälteangepassten Pflanzen eigene Genpools, die in den kalten Regionen miteinander in Kontakt kamen. Durch den Austausch von Genen entstanden Populationen mit mehrfachen Chromosomensätzen. Durch die kontinuierliche Verkleinerung ihres Genoms waren sie in der Lage, immer wieder kalte ökologische Nischen zu besetzen.
Allerdings, erklärt Prof. Koch, wisse man bislang nur wenig über die genomischen Mechanismen und Potenziale, die es den Pflanzen ermöglichen, sich an rasche Veränderungen der Umwelt anzupassen.
„Das ist umso außergewöhnlicher, als dass die Mehrzahl unserer wichtigsten Nutzpflanzen polyploid ist, also über mehrere Chromosomensätze verfügt. Genau diese Tatsache ist das Ergebnis einer starken Selektion während des Anbau- und Selektionsprozesses“, sagt Prof. Koch, dessen Forschungsgruppe „Biodiversität und Pflanzensystematik“ am Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg angesiedelt ist.
In der aktuellen Arbeit unter der Leitung von Prof. Dr. Levi Yant wurde ein diploides Referenzgenom mit zwei Chromosomensätzen einer Alpenlöffelkraut-Art, Cochlearia excelsa, sequenziert und ein sogenanntes Pangenom rekonstruiert. Es verbindet unterschiedliche Genomsequenzen miteinander und zeigt so die genetischen Variationen zwischen Individuen und weiteren Arten. Dafür wurden über 350 Genome verschiedener Cochlearia-Arten mit unterschiedlicher Chromosomensatzzahl analysiert.
„Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse, dass polyploide Arten tatsächlich häufiger genomische Strukturvarianten mit Signalen für eine mögliche lokale Anpassung aufweisen als diploide Arten“, erklärt Prof. Yant, der an der Universität Nottingham (Großbritannien) im Bereich der Evolutionsgenomik forscht.
Diese Strukturmutationen werden durch die zusätzlichen Genomkopien verdeckt und sind damit gewissermaßen vor Selektion geschützt, denn die Anhäufung struktureller Varianten kann auch einen Funktionsverlust zur Folge haben. Mit ihren Modellen konnte das internationale Forscherteam zudem nachweisen, dass die polyploidenspezifischen Strukturvarianten auch in genau den Genbereichen auftreten, die bei zukünftigen Klimaanpassungen eine bedeutende Rolle spielen könnten.
Eine detaillierte Analyse der Genomdaten habe gezeigt, dass es sich dabei vor allem um biologische Prozesse der Samenkeimung oder der Resistenz gegen Pflanzenkrankheiten handele, sagt Dr. Filip Kolář, der an der Karls-Universität in Prag und an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften forscht.
Dass die heute in Mitteleuropa vorkommenden Cochlearia-Arten den Klimawandel letztlich überleben werden, ist allerdings wohl höchst unwahrscheinlich, wie Prof. Koch betont.
„Insbesondere der diploide Cochlearia excelsa kann in den österreichischen Bergen nicht weiter in höhere und kältere Regionen wandern, da diese Löffelkraut-Art die Gipfelregionen zum Teil bereits erreicht hat. Auch der Pyrenäen-Löffel aus den mitteleuropäischen Hügel- und Bergländern wird es schwer haben“, erklärt er.
Die Forscher zeigten jedoch, dass der gesamte Genpool, insbesondere die polyploiden Kältespezialisten, vor allem in den nördlichen Regionen der Erde überleben können. Die Evolutionsgeschichte dieser Kreuzblütler gibt damit Aufschluss darüber, wie Pflanzen in Zukunft mit dem Klimawandel zurechtkommen könnten.
Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Tuomas Hämälä et al, Einfluss von Genomduplikationen auf die Evolution struktureller Varianten in Cochlearia, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49679-y