Selbstbefruchtung als Folge des Klimawandels

 Wie schon Darwin annahm, kann Selbstbefruchtung für Pflanzen sinnvoll sein, wenn aus ökologischen Gründen Paarungspartner oder Bestäuber rar sind. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Evolutionsbiologen Kentaro Shimizu von der Universität Zürich konnte jetzt anhand einer Pflanzenvariation von Arabidopsis thaliana, die bei Weiningen gesammelt wurde, nachweisen, dass sich Selbstbefruchtung als Folge des Wechsels von Kalt- und Warmzeiten entwickelt hat.

Selbstbefruchtung ist für Pflanzen eine der Möglichkeiten, Nachkommen zu erzeugen. Doch die Befruchtung durch den eigenen Pollen birgt auch Nachteile als Folge der damit einhergehenden Inzucht. Selbstbefruchtung kann aber trotzdem sinnvoll sein: Dann nämlich, wenn Paarungspartner oder Bestäuber rar sind. Unter diesen Bedingungen entsteht ein massiver Evolutionsdruck, und Selbstbefruchtung kann sich schnell entwickeln – diese Hypothese formulierte Charles Darwin bereits 1876. Jetzt ist es einer internationalen Forschungsgruppe aus der Schweiz, Japan und Deutschland unter der Leitung von Kentaro Shimizu, Professor an der Universität Zürich, gelungen, mit Hilfe der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) Darwins Hypothese zu untermauern. Das Projekt wurde von der Universität Zürich im Rahmen des Schwerpunktprogramms Systembiologie/Funktionale Genomforschung unterstützt.

Selbstbefruchtend durch Genverlust

Arabidopsis thaliana überlebte die Eiszeiten in warmen Regionen, z.B. auf der iberischen Halbinsel. Mit dem Abschmelzen der Gletscher erweiterte Arabidopsis thaliana ihr Verbreitungsgebiet wieder auf ganz Europa. Doch die rasche Vergrösserung des Verbreitungsgebietes hatte Folgen: Es mangelte an Paarungspartnern. Durch spontane Mutationen veränderte Pflanzen, die sich selbst befruchten konnten, hatten dagegen einen Evolutionsvorteil.

Pflanzen ohne Selbstbefruchtung verhindern diese mit Hilfe eines Erkennungssystems. Dabei erkennt das so genannte SRK-Protein im Stempel (weiblich) das SRK-Protein in den eigenen Pollen (männlich) und stösst diese Pollen ab. Unklar war bis anhin, wie diese Selbstbefruchtung entstanden ist. Shimizu und sein Team können in ihrem in «Nature» publizierten Artikel jetzt erstmals zeigen, dass bei Arabidopsis thaliana das SRK-Gen erst vor relativ kurzer Zeit – während des Wechsels von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten – funktionslos geworden ist. Für die Forschungsgruppe war eine ursprünglich bei Weiningen im Kanton Zürich gefundene Pflanzenvariante entscheidend, da sie im Gegensatz zu den meisten anderen über ein intaktes weibliches SRK-Gen verfügt. Den Forschern gelang es dann, das männliche SRK-Gen wieder herzustellen, die Evolution also rückgängig und Arabidopsis thaliana so künstlich wieder selbstunfruchtbar zu machen.

Die rasche Entwicklung der Selbstbefruchtung in der Evolution ermöglicht das Überleben einer Art. Doch sie birgt Risiken, denn Selbstbefruchtung ist nahezu irreversibel – im Hinblick auf die momentane Klimaerwärmung eine wichtige Erkenntnis. Das bedeutet, dass die durch den Klimawandel hervorgerufenen genetischen Veränderungen von Pflanzen und Tieren sich nicht einfach wieder umkehren lassen, selbst wenn der Klimawandel rückgängig gemacht werden könnte. Evolutionäre Reaktionen auf Klimaveränderungen sind bis jetzt nur wenig untersucht worden. Aus diesem Grund hat Professor Shimizu gerade ein vom Schweizerischen Nationalfonds unterstütztes Gemeinschaftsprojekt mit der ETH Zürich und der Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL zur Variation des Erbguts bei alpinen Pflanzen gestartet.

Literatur:

Takashi Tsuchimatsu, Keita Suwabe, Rie Shimizu-Inatsugi, Sachiyo Isokawa, Pavlos Pavlidis, Thomas Städler, Go Suzuki, Seiji Takayama, Masao Watanabe & Kentaro K. Shimizu, Evolution of self-compatibility in Arabidopsis by a mutation in the male specificity gene, Nature, doi: 10.1038/nature08927