Diversität und Evolution des Blüten-“Morphospace"

In der Evolutionsbiologie wurden während der letzten Jahrzehnte morphologische Studien weitgehend durch genomischer Methoden abgelöst. Gleichzeitig ist aber klar, dass der Phänotyp (und nicht die Nukleotidsequenzen) die biologische Komponente ist, die direkt mit der Umwelt interagiert. In den letzten Jahren hat die wissenschaftliche Gemeinschaft wieder begonnen, die Bedeutung der Morphologie für Forschungsgebiete wie etwa die Evolutionsforschung, die Systematik oder die Ökologie zu erkennen. In all diesen Gebieten spielen morphologische Konzepte und Hypothesen eine wichtige Rolle. Dieses wiedererwachte Interesse, zusammen mit der Verfügbarkeit von modernen analytischen Methoden und den wegweisenden Resultaten der genomischer Forschung, eröffnen neue Untersuchungsmöglichkeiten im Bereich der Evolution morphologischer Merkmale. In diesem wissenschaftlichen Kontext, schlagen wir die Untersuchung der Evolution morphologischer Formen aus einer phylogenetischen Perspektive vor. Unser Ziel ist es, eine innovative, synthetische und analytische Darstellung der Evolution morphologischer Formen zu entwickeln, weshalb unser Projekt auch eine starke mathematische Komponente beinhaltet. Der Ausgangspunkt für unser Projekt ist die Tatsache, dass im Laufe der Evolution nicht alle theoretisch möglichen Morphologien entstanden sind. Existierende Morphologien sind aufgrund von ontogenetischen, funktionellen und phylogenetischen Limitierungen auf eine bestimmte Auswahl begrenzt. Wir schlagen vor, den im Laufe der Evolution realisierten Anteil des morphologischen Raumes (Morphospace), über geologische Zeiträume hinweg und zwischen nicht-Schwestertaxa innerhalb der Angiospermen (Blütenpflanzen) vergleichend zu untersuchen. Genauer gesagt werden wir uns mit dem Blüten-Morphospace der beiden morphologisch diversen Ordnungen Laurales (Magnoliiden) und Ericales (Asteriden) beschäftigen. Unser Projekt stützt sich auf morphologisch-anatomische Untersuchungen von lebenden und fossilen taxa, auf die Rekonstruktion der Merkmalsevolution und auf datierte, molekulare Phylogenien. Der Morphospace-Ansatz ermöglicht eine mathematische Konzeptualisierung, welche eine Voraussetzung dafür ist, vorher unbekannte Muster in der Evolution morphologischer Formen sichtbar und erkennbar zu machen. Folglich können neue Fragen zu physikalischen und biologischen Regeln, zu Konvergenz und Kontingenz, die während der Evolution natürlicher Formen eine Rolle spielen, angegangen werden. Dieses Projekt ist hoch-innovative, nicht nur weil es neue Einsichten in die Morphospace-Evolution von nicht- Schwestertaxa ermöglicht, sondern vor allem auch weil es von seinem Ansatz her transdisziplinär ist und Wissen aus so verschiedenen (aber komplementären) Forschungsgebieten wie der Paläobotanik, der modernen Morphologie, der molekularen Phylogenetik, der Mathematik und der theoretischen Biologie integrieren wird.

Dank der atemberaubenden Entwicklungen im Bereich molekularer Techniken und Genomforschung, hat die Evolutionsbiologie während der zwei letzten Jahrzehnte enorme Fortschritte gemacht. Gleichzeitig schien die Morphologie, d.h. die Lehre von der Struktur und Form von Organismen, nur noch wenig zur modernen Forschung beitragen zu können. In neuester Zeit jedoch, hat die Morphologie in verschiedenen Forschungsfeldern, wie zum Beispiel Systematik oder Ökologie, wieder an Bedeutung gewonnen. Das wiederauflebende Interesse an morphologischen Konzepten, zusammen mit modernen analytischen Methoden, haben neue Möglichkeiten und Chancen für die evolutionsbiologische Erforschung morphologischer Merkmale geschaffen. In diesem Projekt haben wir uns mit Hilfe sogenannter Morphospace-Analysen auf die Morphologie und Evolution der Blüte konzentriert. Diese Analysen beruhen auf mathematischen Verfahren, die es erlauben, die Morphologie verschiedener Organismen zu beschreiben und miteinander in Beziehung zu setzen. Mit diesem Ansatz haben wir die Verteilung der morphologischen Diversität der Blüte über die gesamten Blütenpflanzen hinweg quantifiziert. Zusätzlich haben wir den theoretischen Hintergrund und die statistischen Werkzeuge, die für Morphospace-Analysen verwendet werden, kritisch zusammengefasst und in einer Übersichtsarbeit publiziert. Das Herzstück dieses Projektes ist aber der umfassende, blütenmorphologische Datensatz, den wir für die Ordnung Ericales produziert haben. Neben einer Reihe ökonomisch wichtiger Nutzpflanzen wie Tee, Kiwi, Kaki oder Ebenholz, gehören auch verschiedene Zierpflanzengruppen zu dieser Ordnung. Unser Datensatz setzt sich aus morphologischen Daten für 381 Arten zusammen, die zu 275 Gattungen aus allen 22 Familien der Ordnung gehören. Zusätzlich haben wir auch gut erhaltene Blütenfossilien aus der Kreidezeit miteinbezogen. Insgesamt haben wir 37 blütenmorphologische Merkmale analysiert und sämtliche der derzeit 12503 Dateneinträge sind direkt mit der jeweiligen Referenz verbunden, aus der die entsprechende Information stammt. Dies garantiert die Reproduzierbarkeit unserer Analysen und erlaubt es vor allem auch jedem, unsere Daten in Zukunft für weitergehende Analysen zu verwenden. Unsere Analysen haben einerseits gezeigt, dass sich der Blüten-Morphospace der Ericales wie ein Mosaik aus den verschiedenen Verwandtschaftsgruppen innerhalb der Ordnung zusammensetzt. Das bedeutendste Ergebnis unseres Projektes ist aber, dass die verschiedenen Blütenorgane in unterschiedlichem Ausmaß zu morphologischen Diversität der Blüte als Ganzes beitragen. Insbesondere konnten wir zeigen, dass die männlichen Organe einen signifikant höheren Anteil an der morphologischen Diversität haben als die sterilen bzw. die weiblichen Organe. Dies ist überraschend, da allgemein vermutet wurde, dass der weibliche Teil, d.h. der sowohl strukturell als auch funktionell komplexeste Teil einer Blüte, den größten Beitrag leisten würde. Bis jetzt haben sich nur sehr wenige Studien mit breitgefächerten, pflanzenmorphologischen Morphospace-Analysen befasst. Mit diesem Projekt haben wir gezeigt, dass solche Analysen auch in Zeiten immer umfangreicherer Genomanalysen, äußerst lohnend sind und einen einzigartigen, neuen Blick auf die Evolution und die Diversität der Pflanzen erlauben.