In Situ Studien von Arabidopsis thaliana Populationen

Natürliche Variation ist die Quelle der Biodiversität der Erde. In der letzten Zeit hat sich die Ansicht durchgesetzt, dass diese Variation auf verschiedenen Ebenen entwickelt ist (z.B. Genom, Epigenom, Transcriptom, Proteom, Metabolom aber auch Morphologie und Anatomie). Die Diversity-Stability Debatte dreht sich um die Frage, ob komplexe Ökosysteme stabiler sind, falls sie von einer diverseren Flora besiedelt sind. Das ist eine spannende Frage in Bezug auf den globalen Klimawandel und Naturkatastrophen, da die Ökosysteme die unmittelbaren Lebenserhaltungssysteme dieses Planeten darstellen und für das Überleben der Menschheit ausschlaggebend sind. Daher scheint das Verständnis von den der natürlichen Selektion zugrunde liegenden Mechanismen von größter Relevanz zu sein. Darüber hinaus müssen wir uns den Einflüssen auf ein stabiles Ökosystem und deren Folgen bewusst sein, um auf mögliche Veränderungen adäquat reagieren oder diese gar antizipieren zu können. Bisher gibt es nur wenige Studien, die die verschiedenen Ebenen der natürlichen genetisch-phenotypischen Variation mit einer detaillierten Ökosystembeschreibung des natürlichen Habitats verknüpfen. Um diese Kluft zu überbrücken und um einen Rahmen für zukünftige Untersuchungen dieser Art in anderen Pflanzenarten, bereitzustellen, haben wir natürliche Arabidopsis thaliana Populationen an Standorten in Österreich identifiziert und Proben sowie Samen genommen. Diese Proben sind auf unterschiedliche molekularen Phenotypen untersucht worden, die durch den genetischen, epigenetischen, transkriptomischen, proteomischen und metabolomischen Zustand der Individuen dieser Populationen definiert sind. Über drei Jahre werden wir parallel dazu biogeographische Klima- und Substratdaten erheben und so die auf die Pflanzen wirkende natürliche Selektion durch Umweltfaktoren sichtbar machen. Wir werden Samen von den Populationen für kontrollierte in vitro Phytotron-Experimente verwenden. Zum einen können wir die Unterschiede zwischen in situ-und in vitro- Adaption der Pflanze untersuchen, zum anderen sehen wir hier die Möglichkeit, den Einfluss der natürlichen Selektion durch veränderte Umweltbedingungen zu beschleunigen und so weitere adaptive Mechanismen der Pflanzen auszulösen. Als Ergebnisse erwarten wir eine ausführliche Charakterisierung von verschiedenen natürlichen Akzessionen und deren ökophysiologischen Potentials sowie die Identifizierung von Kandidatengenen und physiologischen Prozessen, die eine Grundlage der Adaptionsmechanismen bilden können. Die ökophysiologische Charakterisierung natürlicher Akzessionen ermöglicht einen neuen Zugang zur Entwicklung von Marker-unterstützten Züchtungsansätzen in der angewandten Pflanzenzucht. Aus theoretischer Sicht wollen wir experimentelle Daten für eine Überprüfung der Anwendbarkeit einer Erweiterten Evolutionären Synthese zur Verfügung stellen, indem wir genetisch-phenotypische Plastizität mit Ökosystemparametern im natürlichen Habitat der Pflanze korrelieren.

Natürliche Variation ist die Quelle aller Biodiversität der Erde. In der letzten Zeit hat sich die Ansicht durchgesetzt, dass diese Variation auf verschiedenen Ebenen entwickelt ist, z.B. Genom, Epigenom, Transcriptom, Proteom, Metabolom sowie Morphologie und Anatomie. Die Diversity-Stability-Debatte dreht sich um die Frage, ob komplexe Ökosysteme stabiler sind, falls sie von einer diverseren Flora besiedelt sind. Das ist eine spannende Frage in Bezug auf den globalen Klimawandel und Naturkatastrophen, da Ökosysteme die unmittelbaren Lebenserhaltungssysteme dieses Planeten darstellen und für das Überleben der Menschheit ausschlaggebend sind. Das Verständnis von Mechanismen natürlicher Selektion ist für das Verständnis von Ökosystemen von größter Relevanz . Darüber hinaus müssen wir uns den Einflüssen auf ein stabiles Ökosystem und deren Folgen bewusst sein, um auf mögliche Veränderungen adäquat reagieren oder diese gar antizipieren zu können. Bisher gibt es nur wenige Studien, die die verschiedenen Ebenen der natürlichen genetisch- phänotypischen Variation mit einer detaillierten Ökosystembeschreibung des natürlichen Habitats verknüpfen. Um diese Kluft zu überbrücken und um einen Rahmen für zukünftige Untersuchungen dieser Art in anderen Pflanzenarten bereitzustellen, haben wir natürliche Arabidopsis thaliana Populationen an Standorten in Österreich identifiziert und Proben sowie Samen genommen. Diese Proben sind auf unterschiedliche molekulare Phänotypen untersucht worden, die durch den genetischen, epigenetischen, transkriptomischen, proteomischen und metabolomischen Zustand der Individuen dieser Populationen definiert sind. Über drei Jahre hinweg haben wir parallel dazu biogeographische Klima- und Substratdaten erhoben, um einen möglichen, durch Umweltfaktoren auf die Pflanzen wirkenden natürlichen Selektionsdruck sichtbar zu machen. Parallel zu diesen in situ Studien haben wir ein großangelegtes sogenanntes common garden Experiment durchgeführt, in dem alle natürlichen Populationen den gleichen Umweltbedingungen ausgesetzt waren. Auf der Basis des common garden Experiments und der in situ Daten identischer Populationen konnten wir die Unterschiede zwischen in situ und in vitro- Adaptionen der Pflanze untersuchen. Es zeigte sich, dass eine enorme populations-spezifische biochemische Plastizität und Diversität auftritt, die wir biochemische Reaktionsnorm nennen. Dabei konnte eine große Variabilität der Reaktionsnormen auf allen untersuchten molekularen Ebenen gezeigt werden. Mit diesen Daten können nun erstmals kausale Ketten vom Genotyp bis hin zum adaptierten molekularen Phänotyp geschlossen werden. Damit haben wir eine ausführliche in situ Charakterisierung von intraspezifischer Variation verschiedener natürlichen Akzessionen und deren ökophysiologischen Anpassungen sowie die Identifizierung von Kandidatengenen und physiologischen Prozessen, die eine Grundlage der Adaptionsmechanismenbildenkönnen,durchgeführt.Dieökophysiologische Charakterisierung natürlicher Akzessionen ermöglicht einen neuen Zugang zur Entwicklung von Marker-unterstützten Züchtungsansätzen in der angewandten Pflanzenzucht. Aus theoretischer Sicht zeigen diese experimentellen Daten erstmals die ganze Bandbreite der möglichen biochemischen Reaktionsnormen bzw. phänotypischen Plastizität und deren Korrelation mit Ökosystemparametern im natürlichen Habitat der Pflanze auf.