Forschern gelingt Durchbruch im Verständnis der Artenvielfalt

Wenn es darum geht, die Häufigkeit einer Art vorherzusagen, scheint die Körpergröße ein grundlegender und wiederholbarer Prädiktor zu sein, wobei kleinere Organismen in größerer Zahl vorkommen als größere. Der Vorbehalt, bekannt als Bermanns Regel, besteht darin, dass in Polarregionen Organismen mit größerem Körper vorherrschen. Weitere Faktoren, die die Artenhäufigkeit beeinflussen, sind Lichtverfügbarkeit, Nahrungsverfügbarkeit, Konkurrenz und Raubtiere.

Neue Erkenntnisse eines Forscherteams der Biowissenschaften an der University of Arkansas haben unser Verständnis der Artenvielfalt nun um eine genetische Komponente erweitert.

Die Genomgröße, also die Gesamtmenge an DNA, die in einer Kopie eines einzigen vollständigen Genoms enthalten ist, kann ebenfalls ein starker Indikator für die Artenvielfalt sein. Die Studie untersuchte Kieselalgen, einzellige Algen, die in Süßwasser- und Meeresnahrungsnetzen eine wichtige Rolle spielen. Sie produzieren langkettige Fettsäuren wie Fischöl und andere Lipide, die als Energie dienen. Die Energiemoleküle, die Kieselalgen produzieren, gelangen in der Nahrungskette vom Zooplankton über Wasserinsekten und Fische bis hin zum Menschen.

Kieselalgen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Photosynthese, dem Prozess, bei dem Kohlendioxid in Sauerstoff umgewandelt wird. Schätzungsweise 20–25 % des Sauerstoffs auf der Erde stammen aus Kieselalgen – mehr als aus Regenwäldern und Landpflanzen.

Das wichtigste Ergebnis war, dass Temperatur und Genomgröße, nicht die Körpergröße, den größten Einfluss auf die maximale Populationswachstumsrate der Kieselalgen hatten. Doch auch in kälteren Breitengraden spielte die Körpergröße noch eine Rolle, sodass Bermanns Regel erhalten blieb.

Das Papier mit dem Titel „Diatomeenreichtum in den Polarmeeren wird durch die Genomgröße vorhergesagt“ wurde veröffentlicht In PLOS Biologie von einem Autorentrio aus der Abteilung für Biowissenschaften: Wade Roberts, ein Postdoktorand im Alverson Lab; Adam Siepielski, ein außerordentlicher Professor; und Andrew Alverson, Professor und Direktor des Alverson Lab.

Roberts stellte fest, dass die Genomgröße einer Kieselalge entscheidend für die Zellfunktion und ihre Fähigkeit ist, sich an eine veränderte Umgebung anzupassen.

„Bei Phytoplankton ist die Zellgröße eng mit der Genomgröße korreliert“, erklärte Roberts. „Das wissen wir schon seit einiger Zeit. Aber wir waren uns nicht sicher, ob die Zellgröße die Genomgröße bestimmt oder umgekehrt. Wir konnten dies direkt durch eine Pfadanalyse testen, um die Richtungsabhängigkeit zu bestimmen. Wir fanden heraus, dass eine Vergrößerung des Genoms zu einer Vergrößerung der Zellgröße führte. Damit haben wir bestätigt, dass die Größe des Genoms die Zellgröße bestimmt.“

Die Genomgröße von Kieselalgen kann zwischen den Arten um das 50-fache variieren, aber die meisten Unterschiede im genetischen Material werden durch wiederholte DNA verursacht. DNA kodiert die Proteine, die die Bausteine ​​des Lebens sind, aber es ist unklar, wie diese repetitive DNA von der Zelle genutzt wird. Schätzungsweise nur etwa 2 % des menschlichen Genoms kodieren Gene.

Insgesamt tragen die Ergebnisse der Studie zum Verständnis der Artenvielfalt bei, indem sie zeigen, dass sich die Artenvielfalt auf globaler Ebene durch eine einzige, für alles Leben grundlegende Eigenschaft vorhersagen lässt: die Größe des Genoms.

„Größere Organismen kommen in Polarregionen häufiger vor“, sagte Roberts. „Das gilt für Säugetiere und andere vielzellige Organismen. Aber wir wussten nicht, ob das auch für Phytoplankton gilt. Jetzt können wir Vorhersagen über die Zusammensetzung der Gemeinschaften auf Grundlage der Temperatur treffen. Das wird uns helfen vorherzusagen, ob größere Kieselalgen in wärmer werdenden Gewässern überleben können.“

Auf einem sich erwärmenden Planeten könnte dies eine Verringerung der Kieselalgen mit größeren Zellen und eine potenzielle Abnahme der Sauerstoffproduktion bedeuten.