Der Klimawandel löst eine Vielzahl von Umweltschäden aus, unter anderem auch steigende Temperaturen. Für die Biologie steht damit die Frage im Raum: Können sich Pflanzen schnell genug weiterentwickeln, um sich an diese Herausforderungen anzupassen? Dies ist ein globales Phänomen, das in unterschiedlichen Regionen mit verschiedenen Klimaten untersucht werden muss.
Um dies umfassend anzugehen, baute Prof. Dr. Moisés Expósito-Alonso von der University of California in Berkeley das internationale Forschungsnetzwerk „Genomics of rapid Evolution to Novel Environment“ (GrENE-net) auf. An diesem Forschungsteam ist auch Jun.-Prof. Dr. Elena Hamann vom Institut für Pflanzenökologie und -evolution der HHU beteiligt.
Prof. Dr. Moisés Expósito-Alonso: „Unsere großen Fragen lauteten: ‚Wie schnell verläuft die Evolution?‘ und ‚Wann kommt sie zum Stillstand?‘ Informationen über die Geschwindigkeit der Evolution sowie die damit einhergehenden genetischen Veränderungen sind entscheidend, um solche Pflanzen und Tiere zu identifizieren, die durch Veränderungen in ihrer Umgebung gefährdet sind. Wir müssen verstehen, inwieweit sich Lebewesen an ein neues Klima anpassen können, oder wie wir ihnen dabei helfen können.“
Die GrENE-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler führten gleichzeitig in 30 verschiedenen Klimazonen in Westeuropa, im Mittelmeerraum, im Nahen Osten und in Nordamerika über fünf Jahre abgestimmte Experimente durch. Sie arbeiteten alle mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (die Acker-Schmalwand), einer einjährigen Pflanze aus der Familie der Kreuzblütler. Sie analysierten Genomdaten aus drei Jahren, in denen drei Pflanzengenerationen auf zwölf separaten Parzellen an 30 Standorten beteiligt waren. Bevor sie an die HHU kam, betreute Prof. Hamann als Postdoc an der Fordham University in den USA zwei dieser Standorte in New York.
Nach der Aussaat der für das Projekt zusammengestellten Saatgutmischungen – es ging darum, dass sich hierin viele Varianten von Arabidopsis befanden – im Herbst 2017 wurden die Flächen über mehrere Vegetationsperioden hinweg bis 2022 kontinuierlich beobachtet. In jeder Saison wurden Klimadaten, Populationsgrößen und Bestandsdaten erhoben sowie Blütenstände beprobt. Beteiligt daran waren auch Studierende, die so unmittelbar den Forschungsalltag erleben konnten.
Hamann: „Besonders an GrENE-net ist, dass wir die evolutionären Veränderungen nicht nur im Labor, sondern direkt unter natürlichen Umweltbedingungen und über mehrere Jahre hinweg untersuchten. Indem wir an den verschiedenen Standorten parallel identische Startpopulationen auspflanzten, konnten wir erstmals systematisch erfassen, wie schnell, reproduzierbar und vorhersagbar Evolution in unterschiedlichen Umwelten verläuft.“
Die insgesamt 360 einzelne Experimente zeigten, dass sich die Pflanzenpopulationen in den meisten Fällen genetisch weiterentwickelten und so an deren Umgebungen anpassten. Aber insbesondere an Standorten in den extremsten warmen und trockenen Klimazonen – solche, die repräsentativ für zukünftige Klimate unter der globalen Erderwärmung sind – konnten sich nicht alle Populationen effizient anpassen. Die Forschenden fanden dort keine Anzeichen für eine schnelle evolutionäre Anpassung, die Pflanzen starben aus.
Expósito-Alonso. „Wir konnten zeigen, dass – bei ausreichender genetischer Vielfalt – das Evolution sehr schnell sein kann; signifikante Veränderungen erfolgten innerhalb von drei bis fünf Jahren. Dabei beobachteten wir, wie sich bestimmte DNA-Varianten in einzelnen Populationen durchsetzen konnten.“
Ebenfalls wollten die Forschenden die Genvarianten finden, die es den Pflanzen erlauben, sich an unterschiedliche Standorte anzupassen. Jedes Frühjahr wurden dafür Blüten entnommen und das gesamte Genom der Pflanzen sequenziert. Auf der Grundlage der Sequenzen von über 70.000 Überlebenden identifizierten die Forschenden Millionen von Veränderungen in den vorhandenen Genen, die die Anpassung und die Überlebensfähigkeit in den verschiedenen Umwelten widerspiegeln. Dabei fanden sie in mehreren Parzellen an verschiedenen Standorten mit ähnlichen Bedingungen auch ähnliche Veränderungen, zum Beispiel in Genen, die die Blütezeit oder die Trockenstresstoleranz steuern.
„Es zeigte sich, dass sich ähnliche genetische Anpassungen unter vergleichbaren Klimabedingungen wiederholt entwickelten, während sie sich zwischen unterschiedlichen Umwelten deutlich unterschieden“, so Hamann, und ergänzt: „Insgesamt zeigt unser Experiment, dass Anpassungen unter bestimmten Bedingungen sehr schnell erfolgen können, wenn die Diversität gegeben ist. Dies zeigt, dass Vielfalt das Überleben ermöglicht.“
„Mit dem neuen Wissen über Arabidopsis können wir fundierte Hypothesen darüber anstellen, welche Arten an welchem Standort überleben werden“, sagt Expósito-Alonso. Mit diesem tiefen Verständnis für das Tempo der Evolution und die Anpassungsfähigkeit können die Forschenden potenziell vielen weiteren Pflanzenarten helfen, sich an den Klimawandel anzupassen.
Originalpublikation
Xing Wu, Tatiana Bellagio, Yunru Peng, Lucas Czech, Meixi Lin, Patricia Lang, Ruth Epstein, Mohamed Abdelaziz, Jake Alexander, Carlos Alonso- Blanco, Heidi Lie Andersen, Modesto Berbel, Joy Bergelson, Oliver Bossdorf, Liana Burghardt, Mireille Caton-Darby, Robert Colautti, Carolin Delker, Panayiotis G. Dimitrakopoulos, Kathleen Donohue, Walter Durka, Gema Escribano-Avila, Steven J. Franks, Felix B. Fritschi, Alexandros Galanidis, Alfredo Garcia-Fernández, Ana García- Muñoz, Elena Hamann, Allison Hutt, José M. Iriondo, Thomas E. Juenger, Stephen R. Keller, Karin Koehl, Arthur Korte, Pamela Korte, Alexander Kutschera, Carlos Lara- Romero, Laura Leventhal, Daniel Maag, Arnald Marcer, Martí March-Salas, Juliette de Meaux, Belén Méndez-Vigo, Javier Morente- López, Timothy C. Morton, Zuzana Münzbergova, Anne Muola, Hanna Akiko Nomoto, Meelis Pärtel, F. Xavier Picó, Brandie Quarles- Chidyagwai, Marcel Quint, Niklas Reichelt, Agnieszka Rudak, Johanna Schmitt, Gregor Schmitz, Merav Seifan, Basten L. Snoek, Remco Stam, Marc Stift, John R. Stinchcombe, Mark A. Taylor, Peter Tiffin, Irène Till- Bottraud, Anna Traveset, Jean-Gabriel Valay, Martijn Van Zanten, Vigdis Vandvik, Cyrille Violle, Detlef Weigel, Maciej Wódkiewicz, François Vasseur, J. F. Scheepens, Moises Exposito-Alonso; Rapid adaptation and extinction in synchronized outdoor evolution experiments of Arabidopsis; Science 391, eadz0777 (2026)
