Um die Probleme des Klimawandels zu lösen, müssen wir verstehen, wie sich Pflanzen an unterschiedliche Bedingungen anpassen. Eine neue Studie der Gruppen von Liam Dolan und Frédéric Berger am Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) verknüpft Klimadaten mit genetischer Variation und erklärt, wie sich das Lebermoos Marchantia polymorpha an unterschiedliche Klimabedingungen anpasst.
Mit der Beschleunigung des Klimawandels stehen Pflanzen unter wachsendem Druck, weil sie sich an veränderte Ökosysteme und Umweltbedingungen anpassen müssen. Diese Herausforderung ist für unsere Kulturpflanzen besonders brisant: Pflanzen, die gegen Trockenheit und Hitze resistent sind, sind unerlässlich für die Nahrungsmittelversorgung der Weltbevölkerung in einer kaum vorhersehbaren Zukunft. Glücklicherweise können sich Pflanzen ausgesprochen gut an sehr verschiedene Umgebungen und Klimazonen anpassen: Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zum Beispiel gedeiht in klimatisch so unterschiedlichen Regionen wie Schweden und Italien.
Wenn wir wissen, wie sich Pflanzen auf natürliche Weise an unterschiedliche lokale Bedingungen anpassen, können wir daraus schließen, wie sie auf den Klimawandel reagieren. Das trägt dazu bei, widerstandsfähigere Nutzpflanzen zu kultivieren. Die aktuelle Studie liefert neue Erkenntnisse über die genetischen Grundlagen der Klimaanpassung von Pflanzen. Die ForscherInnen kombinierten dabei Methoden der Populationsgenetik mit globalen Klimadaten und konnten dadurch genetische Merkmale ausfindig machen, die eine Klimaanpassung bei Marchantia polymorpha bewirken.
Genetische Varianten, die bestimmte Merkmale wie erhöhte Hitzeresistenz oder unterschiedliche Samengrößen bewirken, setzen sich häufig in Umweltbedingungen durch, in denen sie einen Überlebens- oder Reproduktionsvorteil bewirken. Welche genetischen Varianten für die Klimaanpassung verantwortlich sind, ist allerdings weitgehend unbekannt. Um die relevanten Varianten herauszufinden, verglichen die ForscherInnen die Genetik von mehreren regionalen Subpopulationen des Brunnenlebermooses Marchantia polymorpha, die in verschiedenen Regionen Europas, Amerikas und Japans gesammelt wurden. Sie erstellten so eine populationsgenomische Datenbank. Durch die Verknüpfung dieser Datenbank mit einem weltweiten Klimadatensatz konnten die WissenschaftlerInnen das genetische Profil jeder Teilpopulation mit dem lokalen Klima in Beziehung setzen.
Die ForscherInnen verglichen Populationen in Europa und Japan und identifizierten dabei genetische Varianten, die mit höheren und niedrigeren Sommertemperaturen sowie mit der Menge der Sommerniederschläge in Zusammenhang stehen. Diese Anpassungen könnten für die Optimierung der Reproduktion unter unterschiedlichen Bedingungen entscheidend sein, vermuten sie.
Darüber hinaus entdeckte das Team, dass sich die genetische Variabilität verschiedener Populationen von Marchantia polymorpha deutlich unterscheidet: Populationen, die in unterschiedlichen Gebieten Europas gesammelt wurden, waren einander ähnlich, wiesen aber eine hohe genetische Variabilität zwischen ihren Individuen auf. Im Gegensatz dazu wiesen die geographisch isolierten japanischen Populationen einheitlichere genetische Profile auf, die anders sind als jene in Europa. Diese Muster deuten darauf hin, dass die Klimaanpassung in Europa und Japan unterschiedliche Fortpflanzungsstrategien begünstigt, da Marchantia und andere Moose sich sowohl sexuell als auch asexuell fortpflanzen können.
Die neue Datenbank zur Populationsgenomik ist die erste ihrer Art für Marchantia polymorpha und bietet WissenschaftlerInnen weltweit eine leistungsstarke Plattform zur Untersuchung der genetischen Variabilität. Im nächsten Schritt wollen die WissenschafterInnen die Datenbank mit Proben aus der ganzen Welt ergänzen, um ihre Aussagekraft und Relevanz noch weiter zu vergrößern. Die Plattform eröffne neue Wege, um eine Vielzahl biologischer Fragen im Zusammenhang mit Pflanzenwachstum und -entwicklung zu beantworten, heißt es in der aktuellen Mitteilung.
Originalpublikation
Shuangyang Wu, Katharina Jandrasits, Kelly Swarts, Johannes Roetzer, Svetlana Akimcheva, Masaki Shimamura, Tetsuya Hisanaga, Frédéric Berger, Liam Dolan. Current Biology. DOI: 10.1016/j.cub.2025.01.008
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