Wie sich Seegras auf der ganzen Welt verbreitete

Seegräser haben sich aus Süßwasserpflanzen entwickelt und nutzen Sonnenlicht und Kohlendioxid (CO2) für die Photosynthese. Sie können in Tiefen bis zu 50 Metern gedeihen. Im Gegensatz zu Algen besitzen sie Wurzeln und Rhizome, die in sandigen bis schlammigen Sedimenten wachsen. Die grasähnlichen Blatttriebe bringen Blüten hervor und vollenden ihren Lebenszyklus vollständig unter Wasser. Samen haben einen negativen Auftrieb, aber samentragende Triebe können sich fortbewegen, wodurch sich die Ausbreitungsentfernungen im ozeanischen Maßstab erheblich erhöhen.

Als grundlegende Art stellt Seegras wichtige Flachwasserlebensräume für verschiedene Biota dar und stellt darüber hinaus zahlreiche Ökosystemdienstleistungen bereit, einschließlich der Kohlenstoffaufnahme. Seegräser wurden kürzlich als einer der wichtigen natürlichen Beiträge zur Speicherung von Kohlenstoff im Ozean anerkannt. Das Sediment unter Seegraswiesen kann jährlich zwischen 30 und 50 Mal mehr Kohlenstoff binden als die Wurzeln von Wäldern an Land. Leider gibt der anhaltende Verlust von Seegraswiesen weltweit – darunter auch Seegras – Anlass zu großer Sorge.

Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Professor Thorsten Reusch, Leiter des Forschungsbereichs Marine Ökologie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, nutzte vollständige Kern- und Chloroplastengenome von 200 Individuen und 16 Standorten, um die Besiedlungsgeschichte des Seegrases Zostera marina von seinem Ursprung im Nordwestpazifik bis zum Pazifik, Atlantik und Mittelmeer zu rekonstruieren und zu datieren.

Die Ergebnisse werden in einem Artikel und einem Research Briefing beschrieben, veröffentlicht in Naturpflanzen Es stellt sich die Frage: „Wie gut wird sich Seegras an unser neues, sich schnell änderndes Klima anpassen?“

Mithilfe eines phylogenomischen Ansatzes konnten die Wissenschaftler feststellen, dass Seegraspflanzen in mindestens zwei Besiedlungsereignissen, wahrscheinlich unterstützt durch den Nordpazifikstrom, zunächst den Pazifik von West nach Ost überquerten. Anschließend verwendeten die Wissenschaftler zwei „molekulare Uhren“ der DNA – eine auf dem Kerngenom und eine auf dem Chloroplastengenom –, um den Zeitpunkt abzuleiten, zu dem Seegraspopulationen in neue auseinander gingen. Die DNA-Mutationsrate wurde berechnet und anhand einer alten Duplikation des gesamten Genoms kalibriert, die in Seegras auftrat.

Sowohl Kern- als auch Chloroplastengenome zeigten, dass sich Seegras vor etwa 243.000 Jahren über die kanadische Arktis bis zum Atlantik ausbreitete. Diese Ankunft ist weitaus jünger als erwartet – Tausende von Jahren statt Millionen von Jahren, wie es bei den meisten atlantischen Einwandererarten während des Großen Arktischen Austauschs vor etwa 3,5 Millionen Jahren der Fall war.

Reusch erklärt: „Wir müssen daher davon ausgehen, dass es vor dieser Zeit im Atlantik keine auf Seegras basierenden Ökosysteme – Hotspots der Artenvielfalt und Kohlenstoffspeicherung – gab. Die Aktualität spiegelte sich auch in einer Analyse der damit verbundenen Tiergemeinschaft wider, die im Atlantik im Vergleich zu den Seegraswiesen im Pazifik viel weniger spezialisierte Tiere aufweist. Dies deutet darauf hin, dass für die Koevolution von Tieren und Pflanzen weniger Zeit zur Verfügung stand.“

Mittelmeerpopulationen entstanden vor etwa 44.000 Jahren vom Atlantik aus und überlebten das letzte glaziale Maximum. Im Gegensatz dazu breiteten sich die heutigen Populationen entlang der westlichen und östlichen Atlantikküste erst nach dem letzten Gletschermaximum vor etwa 19.000 Jahren aus Refugien (wieder) aus – und zwar hauptsächlich von der amerikanischen Ostküste aus mit Hilfe des Golfstroms.

Darüber hinaus bestätigten die Forscher den enormen Unterschied in der genomischen Vielfalt zwischen dem Pazifik und dem Atlantik, einschließlich Breitengradienten reduzierter genetischer Vielfalt in nördlichen Populationen.

„Sowohl atlantische als auch pazifische Populationen sowie nördliche und südliche Populationen sind auf genetischer Ebene um den Faktor 35 weniger vielfältig als ihre Vorfahren, was die größte und die geringste Vielfalt angeht“, sagte der Postdoktorand Dr. Lei Yu, Erstautor der Veröffentlichung, die ein Kapitel seiner Doktorarbeit darstellte. „Dies ist auf Engpässe aufgrund vergangener Eiszeiten zurückzuführen, was Bedenken aufkommen lässt, wie gut sich das atlantische Seegras aufgrund seiner genetischen Kapazität an den Klimawandel und andere Umweltstressoren anpassen kann.“

„Die Erwärmung der Ozeane hat bereits zu Verlusten an Seegraswiesen an den südlichen Verbreitungsgrenzen geführt, insbesondere in North Carolina und Südportugal. Darüber hinaus haben Hitzewellen auch in einigen nördlichen Teilen des Verbreitungsgebiets zu Verlusten in flachen Gewässern geführt“, bemerkte Reusch. „Das ist keine gute Nachricht, denn Seegraswiesen bilden vielfältige und produktive Ökosysteme und keine andere Art kann die Rolle von Seegras übernehmen, wenn die Wiesen unter künftigen Bedingungen nicht überleben können.“

„Eine Möglichkeit zur Wiederherstellung könnte darin bestehen, etwas genetische Vielfalt vom pazifischen Seegras zu übernehmen, um die Vielfalt im Atlantik zu stärken. Unser nächster Schritt besteht darin, das Seegras-Pangenom zu untersuchen. Ein neues Referenzgenom vom pazifischen Seegras ist derzeit in der Entwicklung und sollte uns mehr über die adaptive ökotypische Kapazität in seinem globalen Lebensraumspektrum verraten“, sagte Prof. Jeanine Olsen, emeritierte Professorin der Universität Groningen, die die Studie initiierte und die Arbeit zwischen dem Joint Genome Institute (JGI) koordinierte ) und das Forschungsteam.