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Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie: Leben am Rande bereitet Pflanzen auf Klimawandel vor

Datum 19.12.2017

Pflanzen können dank genetischer Varianten Dürreperioden überleben - In der ersten Vorhersage, ob sich verschiedene Populationen derselben Pflanzenart an den Klimawandel anpassen können, stellen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen fest, dass mitteleuropäische Pflanzenpopulationen am bedrohtesten sind.

Pflanzenwachstum und unterschiedliche Sterberaten als Reaktion auf extreme Trockenheit.Pflanzenwachstum und unterschiedliche Sterberaten als Reaktion auf extreme Trockenheit. Quelle: © MPI f. Entwicklungsbiologie / M. Exposito-Alonso

Die Forscher haben über 200 Sorten der Ackerschmalwand (Arabisopsis thaliana) untersucht, die von Nordafrika und Spanien über Mitteleuropa und Nordschweden stammen. Nachdem die Pflanzen unter optimalen Bedingungen gekeimt hatten, wurde getestet, wie lange die Pflanzen extreme Trockenheit überleben. Informationen aus einem groß angelegten Genomsequenzierungsprojekt wurde dann genutzt, um Genvarianten zu finden, die das Überleben unter extremen Dürrebedingungen erlauben. In Verbindung mit Klimaprognosen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) konnte das Team Karten erstellen, die angeben, wo genetische Varianten zu finden sind, die für das zukünftige Überleben der Art entscheidend sind.

Trockene Standorte in Spanien und Schweden

"Ich war schockiert, als ich den Boden in den Töpfen von Pflanzen aus Nordschweden und Spanien berührte und fand, dass obwohl er völlig trocken und spröde war, die Pflanzen sattgrüne Blätter hatten und den Stress anscheinend gut überstanden hatten", sagt Erstautor Moises Exposito-Alonso vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. "Ich bin nach Schweden gereist, wo ich vor Ort beobachten konnte, wie Pflanzen in ihrer natürlichen Umgebung auf die gleiche Weise überleben. Es erinnerte mich an Ackerschmalwandpflanzen, die ich schon in Spanien, wo ich aufgewachsen bin, gesehen hatte. Dort gibt es schön grüne Pflanzen, die man im bröseligen Lehm ausgetrockneter Flussbette findet. Nicht nur viele Botaniker denken, dass die Ackerschmalwand zwar eine Art Laborratte für Pflanzen ist, aber was noch nicht weit bekannt ist, dass sie an extremen Standorten überlebt, was sie ideal macht, um Anpassung an den Klimawandel zu studieren", sagt er.

In den nächsten 50 bis 100 Jahren werden extreme Dürreereignisse mit großer Wahrscheinlichkeit stark zunehmen und eine immer größere Bedrohung für Pflanzen und Tiere darstellen. Es ist weit bekannt, dass ein stetiger Temperaturanstieg bereits seit Jahrzehnten im Gange ist, aber diese und andere Studien zeigen, dass das Ausbleiben von Regen eine noch größere Auswirkung auf das Überleben von Pflanzen haben wird. Bis 2070 wird es in Mitteleuropa voraussichtlich deutlich weniger Niederschlag geben als heute. Die neue Forschung zeigt, dass Pflanzen in dieser Region die Genvarianten fehlen, die sie brauchen um sich an zukünftige Verhältnisse anzupassen.

Variabilität schützt vor dem Aussterben

Bisherige Vorhersagen, wie der Klimawandel die Verbreitung von Pflanzen oder Tieren beeinflussen wird, haben weitgehend den Umstand ignoriert, dass es oft enorme genetische Variation innerhalb von Arten gibt. Zum ersten Mal haben jetzt die Max-Planck Wissenschaftler Kenntnisse über die geographische Verteilung genetischer Variation genutzt, um die Anpassungsfähigkeit einer Art zu kartieren. "Da die Erde derzeit einen dramatischen Klimawandel erlebt, ist es von großem Interesse zu verstehen, wie Arten darauf reagieren", sagt Detlef Weigel, der die Studie zusammen mit Hernán Burbano betreut hat. "Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Art die Erderwärmung überlebt, wird wahrscheinlich von ihrer Vielfältigkeit abhängen, vor allem ob es von dieser Art bereits heute Exemplare gibt, die schon an extreme Bedingungen angepasst sind", fügte Burbano hinzu.

Die Ergebnisse des Max-Planck-Instituts können helfen, Rettungsmaßnahmen für gefährdete Pflanzen und Tierarten zu entwickeln. Wenn Populationen gefunden werden können, die für die Anpassung an Dürre wichtige Genvarianten haben, könnten sie in Bereiche umgesiedelt werden, in denen solche Anpassungen am dringendsten benötigt werden. Damit könnte der lokale Genpool schnell verbessert werden. Derselbe Ansatz könnte genutzt werden, um ein Missverhältnis zwischen Nutzpflanzensorten und ihrer lokalen Umwelt zu verringern.

Fachpublikation

Moises Exposito-Alonso, François Vasseur, Wei Ding, George Wang, Hernán A. Burbano, and Detlef Weigel: Genomic basis and evolutionary potential for extreme drought adaptation in Arabidopsis thaliana. Nature Ecology and Evolution; 18 December, 2017. doi:10.1038/s41559-017-0423-0

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