Neue Forschung in Wissenschaft zeigt, wie der Aufstieg der modernen Landwirtschaft eine nordamerikanische einheimische Pflanze, gewöhnlichen Wasserhanf, in ein problematisches landwirtschaftliches Unkraut verwandelt hat.
Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der University of British Columbia (UBC) verglich 187 Wasserhanfproben von modernen Farmen und benachbarten Feuchtgebieten mit mehr als 100 historischen Proben aus dem Jahr 1820, die in Museen in ganz Nordamerika aufbewahrt wurden. Ähnlich wie die Sequenzierung der Überreste von Menschen und Neandertalern wichtige Rätsel der Menschheitsgeschichte gelöst hat, ermöglichte die Untersuchung der genetischen Zusammensetzung der Pflanze in den letzten zwei Jahrhunderten den Forschern, die Evolution in Aktion in sich verändernden Umgebungen zu beobachten.
„Die genetischen Varianten, die der Pflanze helfen, sich in modernen landwirtschaftlichen Umgebungen gut zu behaupten, sind seit der landwirtschaftlichen Intensivierung in den 1960er Jahren bemerkenswert schnell zu hohen Frequenzen gestiegen“, sagte Erstautorin Dr. Julia Kreiner, Postdoktorandin in der Abteilung für Botanik der UBC.
Die Forscher entdeckten Hunderte von Genen im gesamten Genom des Unkrauts, die seinen Erfolg in landwirtschaftlichen Betrieben unterstützen, wobei Mutationen in Genen im Zusammenhang mit Dürretoleranz, schnellem Wachstum und Resistenz gegen Herbizide häufig auftraten. „Die Arten von Veränderungen, die wir in landwirtschaftlichen Umgebungen auferlegen, sind so stark, dass sie Auswirkungen auf benachbarte Lebensräume haben, die wir normalerweise für natürlich halten würden“, sagte Dr. Kreiner.
Die Ergebnisse könnten Naturschutzbemühungen zur Erhaltung von Naturgebieten in landwirtschaftlich geprägten Landschaften beeinflussen. Die Reduzierung des Genflusses aus landwirtschaftlichen Standorten und die Auswahl isolierterer natürlicher Populationen zum Schutz könnten dazu beitragen, den evolutionären Einfluss von Farmen zu begrenzen.
Gewöhnlicher Wasserhanf ist in Nordamerika beheimatet und war nicht immer eine Problempflanze. Doch in den letzten Jahren ist es dank genetischer Anpassungen, einschließlich Herbizidresistenz, fast unmöglich geworden, das Unkraut von Farmen auszurotten.
„Während Wasserhanf normalerweise in der Nähe von Seen und Bächen wächst, ermöglichen die genetischen Veränderungen, die wir beobachten, der Pflanze, auf trockenerem Land zu überleben und schnell zu wachsen, um die Ernte zu übertreffen“, sagte Co-Autorin Dr. Sarah Otto, Killam University Professor an der Universität von British Columbia. „Wasserhanf hat sich im Grunde zu einem Unkraut entwickelt, da es so stark ausgewählt wurde, dass es neben den landwirtschaftlichen Aktivitäten des Menschen gedeiht.“
Bemerkenswerterweise fehlten fünf von sieben herbizidresistenten Mutationen, die in aktuellen Proben gefunden wurden, in den historischen Proben. „Moderne landwirtschaftliche Betriebe legen einen starken Filter fest, der bestimmt, welche Pflanzenarten und Mutationen über die Zeit bestehen können“, sagte Dr. Kreiner. „Durch die Sequenzierung der Pflanzengene stachen Herbizide als einer der stärksten landwirtschaftlichen Filter heraus, der bestimmt, welche Pflanzen überleben und welche sterben.“
Wasserhanf, der eine der sieben herbizidresistenten Mutationen trägt, hat seit 1960 durchschnittlich 1,2-mal so viele überlebende Nachkommen pro Jahr hervorgebracht wie Pflanzen, die die Mutationen nicht aufweisen.
Herbizidresistente Mutationen wurden auch in natürlichen Lebensräumen entdeckt, wenn auch in geringerer Häufigkeit, was Fragen zu den Kosten dieser Anpassungen für Pflanzen in nicht-landwirtschaftlichen Umgebungen aufwirft. „In Ermangelung von Herbizidanwendungen kann Resistenz für eine Pflanze tatsächlich kostspielig sein, sodass die Veränderungen auf den Farmen die Fitness der Pflanze in freier Wildbahn beeinträchtigen“, sagte Dr. Kreiner.
Landwirtschaftliche Praktiken haben sich auch dort verändert, wo bestimmte genetische Varianten in der Landschaft gefunden werden. In den letzten 60 Jahren hat sich eine unkrautige südwestliche Sorte in ganz Nordamerika zunehmend nach Osten verbreitet und ihre Gene aufgrund ihres Wettbewerbsvorteils in landwirtschaftlichen Kontexten in der lokalen Bevölkerung verbreitet.
„Diese Ergebnisse unterstreichen das enorme Potenzial der Untersuchung historischer Genome, um die Anpassung von Pflanzen in kurzen Zeiträumen zu verstehen“, sagt Dr. Stephen Wright, Co-Autor und Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of Toronto. „Die Ausweitung dieser Forschung auf Skalen und Arten wird unser Verständnis darüber erweitern, wie Landwirtschaft und Klimawandel die schnelle Pflanzenevolution vorantreiben.“
„Das Schicksal dieser Varianten zu verstehen und wie sie sich auf Pflanzen in nicht-landwirtschaftlichen, ‚wilden‘ Populationen auswirken, ist ein wichtiger nächster Schritt für unsere Arbeit“, so Professor John Stinchcombe von der University of Toronto, einer der Mitautoren der Studie.
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Julia M. Kreiner, Schnelle Unkrautanpassung und Verbreitungserweiterung als Reaktion auf die Landwirtschaft in den letzten zwei Jahrhunderten, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abo7293