Wilde Tabakmutanten sind anfälliger für Insektenbefall, wachsen aber schneller, wie eine Studie zeigt

Ohne Abwehrkräfte sind Pflanzen Pflanzenfressern nicht ausgesetzt. Wenn ein Insekt ein Blatt frisst, es dabei verletzt und Mundsekret freisetzt, wird in der Pflanze eine Signalkaskade ausgelöst, die normalerweise mit einem schnellen Anstieg der Menge des Pflanzenhormons Jasmonsäure und seines aktiven Isoleucin-Konjugats beginnt. Jasmonsäure reguliert verschiedene Reaktionen in Pflanzen, darunter die Abwehrkräfte gegen Pflanzenfresser und Reaktionen auf Umweltstress.

Eine wichtige These der Evolutionstheorie ist die natürliche Selektion und die Schlussfolgerung, dass Mutanten mit nachteiligen Eigenschaften wieder verschwinden. Allerdings haben Forscher am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena Beobachtungen an der Wildtabakart Nicotiana attenuata, auch Kojotentabak genannt, gemacht, die dieser Vorhersage widersprechen.

Vor zwanzig Jahren führten die Wissenschaftler Feldversuche mit Tabakpflanzen durch, deren Abwehrsignale in ihrer natürlichen Umgebung, der Great Basin-Wüste im US-Bundesstaat Utah, gedämpft waren. Diese gentechnisch veränderten Pflanzen zogen Zikaden der Gattung Empoasca an, die bei Wildtyppflanzen, deren Abwehrkräfte nicht beeinträchtigt waren, nicht zu finden waren.

Gleichzeitig beobachteten die Forscher, dass auch in natürlichen Populationen bei einigen Individuen Fressschäden durch Zikaden beobachtet werden konnten. Sie zeigten, dass die natürlichen Abwehrmechanismen dieser einzelnen Pflanzen beeinträchtigt waren. Allerdings fand das Forschungsteam auch heraus, dass andere Mutanten mit eingeschränkter Abwehr, die nur wenigen Pflanzenfressern im Feld ausgesetzt waren, deutlich schneller wuchsen als Mutanten mit intakten Abwehrsignalen.

In Jahren mit hohem Pflanzenfresserdruck wurden die Mutanten jedoch so stark angegriffen, dass sie nicht überlebten und sich nicht fortpflanzen konnten. „Diese Ergebnisse ließen uns vermuten, dass natürliche Populationen von Nicotiana attenuata natürliche Mutanten im Abwehrsignalweg enthalten könnten und dass diese Mutanten in natürlichen Populationen durch Kompromisse zwischen wachstums- und verteidigungsbedingtem Selektionsdruck erhalten blieben“, sagte Studienleiter Ian Baldwin erläutert die früheren Beobachtungen, die der Studie zugrunde liegen.

Um diese Hypothese zu testen, entwickelte das Team um Ian Baldwin eine sogenannte MAGIC-Population, die einen großen Teil der genetischen Vielfalt der gesamten Nicotiana attenuata-Art in einer Brutpopulation mit einem homogenisierten genetischen Hintergrund einfängt. Um diese Population zu schaffen, mussten Hunderte von natürlichen Pflanzenakzessionen aus Samensammlungen an verschiedenen Orten in der Great Basin Desert über drei Jahrzehnte hinweg untersucht werden, um schließlich 26 sehr unterschiedliche Elternlinien auszuwählen, die ein Jahrzehnt lang auf sehr strukturierte Weise miteinander gekreuzt wurden.

Das Ergebnis dieser Kreuzungen ist die MAGIC-Population (Multi-Eltern-Advanced-Generation-Inter-Kreuzung). Darüber hinaus erstellten die Forscher ein hochwertiges kohärentes Referenzgenom. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

In Jahren mit geringem Pflanzenfresserdruck wird die Priorität von Wachstum und Fortpflanzung gegenüber der Verteidigung zum Vorteil

Mit diesem Datensatz konnten die Wissenschaftler die genetischen Grundlagen der höheren Anfälligkeit für Pflanzenfresser und die Variation der Konzentrationen des Jasmonsäurekonjugats genau abbilden und die ursächliche Mutation im Genom lokalisieren.

„In Nicotiana attenuata-Pflanzen beeinflusst die Variation im JAR-Gen, wie viel des Jasmonsäurekonjugats akkumuliert wird. Eine Mutation in diesem Gen führt zu geringeren Mengen als bei normalen Pflanzen. Die Mutanten geben Wachstum und Fortpflanzung Vorrang vor der Abwehr, was sie anfälliger macht Insektenbefall, aber möglicherweise besser darin, schnell zu wachsen und mehr Nachkommen zu produzieren“, sagt der Erstautor der Studie, Rishav Ray.

Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass die Mutation in diesem einzelnen Gen, das für die Signalübertragung der pflanzlichen Abwehr verantwortlich ist, in einer Population mindestens zehn Jahre lang erhalten bleibt und ein robustes genetisches Netzwerk das Abwehrdefizit abfedern kann, sodass die Mutanten in der Natur überleben können.

Genetische Mutationen treten ständig auf und sind im Großen und Ganzen zufällig im gesamten Genom verteilt. Meistens sind diese Mutationen schädlich, aber gelegentlich sind sie auch für hilfreiche Eigenschaften von Mutanten verantwortlich, die das Überleben in bestimmten Umgebungen erleichtern.

In diesem Fall könnte die Hauptmutation, wie in der vorliegenden Studie vorgeschlagen, Teil eines robusten genetischen Netzwerks sein und zur Anhäufung anderer Mutationen mit großen Auswirkungen führen. Dies erhöht die genetische Vielfalt in natürlichen Populationen, was für ihr langfristiges Überleben und ihren Erfolg in den sich schnell verändernden Umwelten unseres Planeten wichtig ist.

„Angesichts des sich schnell ändernden Klimas auf dem Planeten ist es wichtig zu verstehen und zu identifizieren, wie natürliche Prozesse die genetische Vielfalt erhalten haben, damit wir bessere Wege finden können, die verbleibende Artenvielfalt auf unserem Planeten zu schützen und zu bewahren“, betont Ian Baldwin die Bedeutung der Ergebnisse.

Ausschlaggebend für den Erfolg der Studie war die umfangreiche Populationsbeprobung, die der Wissenschaftler, der seit Jahrzehnten die Überlebensstrategien dieser wilden Tabakart untersucht, vor 30 Jahren in der Wüste des Great Basin durchführte. Die Studie zeigt, dass sich die Sammlung und Lagerung solcher Proben auch nach vielen Jahren noch als wertvoll erweisen kann, und unterstreicht die Bedeutung der Finanzierung solcher langfristigen Forschungsprojekte.