Die Klimaerwärmung aus der Sicht einer alpinen Fliegenart: Evolutionsexperimente

Berge sind Hotspots der Biodiversität, die durch die rasche Klimaerwärmung bedroht ist. Insbesondere für Organismen in größeren Höhen ist die Möglichkeit, nach oben in kühlere Habitate auszuweichen, eingeschränkt. Diesen Arten würde nur die schnelle Evolution der ökologischen Nische eine langfristige Lösung bieten. Das Ziel dieses Projekts ist, evolutionäre und ökologische Auswirkungen steigender Temperatur auf alpine Biodiversität am phänotypischen und genotypischen Niveau anhand der alpinen Fliege Drosophila nigrosparsa als Evolutionssystem im Labor zu erforschen. Wir werden die Fliege steigender Temperatur gemäß dem Schlimmstfall-Szenario, das für zehn Jahre lokal vorhergesagt wird, aussetzen und sechs Hypothesen (H1-H6) im Zusammenhang mit drei Fragen testen. Ausmaß thermischer Evolution? Eine Population kann nur dann in situ bestehen bleiben, wenn Ausmaß und Tempo adaptiver Evolution jenen des Temperaturanstiegs entsprechen. Bei einigen Habitatspezialisten wurde ein nur geringes Potential zur Anpassung an den Klimawandel festgestellt. Wir werden mittels Laborselektion testen, ob die Fähigkeit zu thermischer Evolution bei D. nigrosparsa (H1) nicht ausreichend vs. (H2) ausreichend ist. H1 würde bedeuten, dass die Fliege möglicherweise ihre Verbreitung nach oben verschieben oder von niedrigen Bergen verschwinden würde; H2, dass sie ihre aktuelle Verbreitung beibehalten könnte. Zur ökologischen Validierung unserer Laborbefunde werden wir Käfigtests im Feld durchführen. Kosten thermischer Evolution? Selektion auf ein bestimmtes Merkmal bedingt oft die Reduktion anderer Fitnesskomponenten. Andererseits gibt es Hinweise, dass das auf die Anpassung an Erwärmung bei Insekten nicht unbedingt zutrifft. Wir werden Kälteresistenz, Produktivität, Konkurrenzfähigkeit und Hungerresistenz erfassen und testen, ob Anpassung an steigende Temperatur bei D. nigrosparsa Kosten (H3) erzeugt vs. (H4) nicht erzeugt. Genetik thermischer Evolution? Die Genetik von Anpassungen an sich verändernde Umweltbedingungen zu entschlüsseln, ist ein zentrales Thema der Evolutionsökologie. Wir werden das Next-Generation Genomsequenzieren gepoolter Individuen zur genomweiten Suche nach mutmaßlichen Selektionssignaturen verwenden. Die Zahl der Selektionssignaturen an sich wird bereits interessant sein, wir werden aber zusätzlich ihre Verteilung über das Genom dazu verwenden, die sich nicht ausschließenden Hypothesen von Evolution in (H5) kodierenden oder (H6) nichtkodierenden Bereichen zu testen. Bei Selektionssignaturen in Genen werden wir deren funktionelle Annotierungen mit den Ergebnissen anderer Studien vergleichen. Das Projekt ist ein Ausgangspunkt für die Klärung, ob und wie Populationen der Art die Klimaerwärmung überleben könnten. Die Ergebnisse werden diverse Folgestudien ermöglichen und die Basis empirischer Daten zum Evolutionspotential über Taxa hinweg erweitern. Die Studie wird eine wichtige Fallstudie für das Genomsequenzieren gepoolter Individuen sein. Der innovative Käfigtest im Feld wird zur Validierung von Laborselektionsergebnissen, ohne Veränderung natürlicher Populationen, generell anwendbar sein. Das Eruieren möglicher Kosten thermischer Evolution wird, mit den Ergebnissen anderer Studien, für Managementprogramme zur Minimierung von Biodiversitätsverlusten durch den Klimawandel nützlich sein. Die Information, welche Loci Selektionssignaturen zeigen, wird zur Erkennung genereller Muster in der Genomik der thermischen Evolution und der Stressforschung beitragen und helfen, die umstrittene relative Bedeutung von kodierenden vs. nichtkodierenden Regionen in der Adaptation zu klären.

Die Biodiversität von Bergen könnte vom Klimawandel besonders betroffen sein. Bisher gab es aber keinen Alpinen Studienorganismus, der Evolutionsexperimente zum Abschätzen der Zukunft dieser Lebewesen ermöglicht hätte. Wir setzten in Laborexperimenten die Alpine Fliegenart Drosophila nigrosparsa steigender Temperatur gemäß lokalen Voraussagen aus. Dabei fanden wir heraus, dass die Fliege ihre Hitzeresistenz nicht durch Evolution verbessern kann, zumindest nicht in dem Tempo, das beim aktuellen Temperaturanstieg nötig wäre. Die Fliege wird sogar weniger hitzeresistent und konkurrenzfähig, wenn sie bei erhöhter Temperatur heranwächst. Zusammenfassend wird die Fliege mit steigender Temperatur wahrscheinlich Teile ihres aktuellen Verbreitungsgebiets einbüßen. Beim Etablieren des neuen Studienorganismus haben wir seine Biologie, einige physiologische Limits und sein Genom charakterisiert. Die Fliege entwickelt sich in Pilzen; diese Spezialisierung ist wahrscheinlich durch im Genom festgeschriebene Änderungen in der Geruchswahrnehmung der Fliege ermöglicht worden. Verglichen mit anderen Drosophila-Arten ist D. nigrosparsa wenig fruchtbar, relativ langlebig, wenig hungerresistent, gut kälteadaptiert, und relativ tolerant gegenüber kurzer Hitzeeinwirkung. Das Projekt belegt, (i) wie wichtig die Erforschung der grundlegenden Biologie einer Art für die Interpretation von Ergebnissen aus anderen Forschungsbereichen ist, (ii) die Relevanz der Klimawandelbiologie für die Vorhersage des Schicksals der Alpinen Biodiversität, und (iii) welche Rolle es für das Erkennen der Evolutionsbahnen spielt, das Studium von Genom und von Proteinstruktur zu kombinieren.