Hyperdiversität extremtoleranter pilzlicher Symbiosen

Ökologie und Evolutionsbiologie setzen ein klares Bild von der Anzahl existierender Arten und ihrer Entstehungsprozesse voraus. Unter den Eukaryonten zeigen jedoch besonders die Pilze eine besonders hohe Artendiversität, die aber bis heute schwer mit Zahlen erfassbar ist. Das schließt auch die flechtenbildender Verwandtschaftslinien ein. Dieses Projekt wird mit gemeinsamen phylogenetischen und populationsgenetischen Ansätzen das Phänomen der Hyperdiverstität der Gattung Pyrenodesmia (Ascomycota) modellhaft zu untersuchen. Frühere Arbeiten vermuteten bereits eine hohe Diversität in den extremotoleranten Vertretern von Pyrenodesmia in Mediterrangebieten, deren heterogene Landschaft durch ihre komplexe geologische und klimatische Geschichte einen Biodiversitäts-Hotspot von globaler Bedeutung darstellt. Bis jetzt ist aber wenig darüber bekannt, wie lokale ökologische Heterogenität und Umweltwandel die Diversität von Pilzen beeinflusst. Wir wollen daher untersuchen, ob (a) die Diversität von Pyrenodesmia im Mittelmeerraum räumlich strukturiert ist, ob (b) Anpassungen an unterschiedliche ökologische Gegebenheiten kleinräumiger als bisher gedacht sind, und ob (c) die Symbiosepartner (Algen) zur Diversifizierung beitragen. Mit diesem Ansatz werden wir besser verstehen, welche Prozesse die herausragende Diversifizierung von flechtenbildenden Pilzen angetrieben hat. Damit wollen wir mit diesem Projekt auch ein allgemeines Verständnis für die Evolution von extremotolerante Eukaryonten entwickeln.

Das Pilzreich umfasst eine sehr vielfältige Gruppe eng verwandter Organismen. Sie alle teilen ein relativ einfaches strukturelles Muster an der Grenze zwischen dem, was wir Menschen als Mikroorganismen wahrnehmen und multizellulären Lebensformen. Pilze haben eine erstaunlich große funktionelle Vielfalt trotz der geringen Größe ihrer Genome, die 100 mal kleiner sind als die der einfachsten Tiere oder Pflanzen. Pilze finden sich überall in der Biosphäre und spielen sehr unterschiedliche ökologische Rollen. Das auffallendste Merkmal von Pilzen ist ihre Tendenz mit anderen Organismen zusammenzuleben und "passiv-aggressive" Assoziationen zu bilden, die wir Symbiosen nennen. Zweifelsohne sind Flechten ein herausragendes Beispiel für diese Symbiosen. In ihnen etablieren Pilze und Algen eine dauerhafte Partnerschaft, die eine völlig neue Lebensform hervorbringt, die wir Flechtenthallus nennen. Wie Aristoteles sagte, "das Ganze ist größer als die Summe seiner Teile", so sind Flechten sogar in der Lage, das Leben in den extremsten Gebieten der Erde aufrechtzuerhalten und zu überleben mit wenig verfügbaren Ressourcen an Wasser, Mineralien und Licht. In einem Versuch, die Muster zu verstehen, die zu der extremen Vielfalt von Flechtenpilzen führen, konzentrierten wir uns auf die Untersuchung der Flechtengattung Pyrenodesmia im Mittelmeerraum mit molekulargenetischen Methoden. Eine grundlegende Aufgabe in der Flechtenforschung ist es, alle noch unbekannten Arten zu entdecken. Diese Suche wurde noch aufschlussreicher, als DNA-Tools für die taxonomische Forschung verfügbar wurden. Als Konsequenz tendierten wir dazu, die genetischen Unterschiede zu interpretieren, die sich bei der Evolution neuer Arten ergeben. Unser Projekt fand bei Pyrenodesmia eine noch größere molekulare Diversität, als wir erwartet haben. Obwohl wir anfingen zu glauben, dass es Hunderte von Arten gab, von denen nur ein Dutzend beschrieben war, entwickelten wir einen kritischen Ansatz und studierten die Reproduktionsbiologie und die Genome der untersuchten Flechtenpilze ein. Mit Hilfe dieser neuen Erkenntnisse haben wir verstanden, dass eine große molekulare Diversität durch eine Vielzahl von Prozessen und Mechanismen gesteuert werden kann, die auf verschiedenen Organisationsebenen und nicht notwendigerweise auf der Artenebene agieren. Europäische Pyrenodesmia-Arten bilden eine komplexe evolutionäre Einheit, die wir als Meta-Spezies bezeichnen. Innerhalb der Metaspezies sind Arten und Populationen durch sexuelle Fortpflanzung miteinander verbunden. Die Arten innerhalb einer Metaspezies behalten trotz extensivem Genfluss ein hohes Maß an morphologischer und ökologischer Unabhängigkeit, angetrieben durch die Existenz von post-reproduktiven Barrieren, die entweder durch endogene Faktoren wie funktionelle Einschränkungen oder molekulare Mechanismen der Selbsterkennung verursacht werden, oder durch exogene Faktoren wie divergierende Leistungen über ökologische Gradienten.