Diversität, Ökologie und Spezifität antaktischer Flechten

Extremste Klimabedingungen machen die Antarktis zu einem Lebensraum, in dem nur die zähesten Organismen überleben können. Saxicole (gesteinsbewohnende) Lebensgemeinschaften sind auf die eisfreien Gebieten des antarktischen Kontinents (ca. 2%) beschränkt und umfassen hauptsächlich Moose, Pilze und Flechten. Letztere bilden eine symbiotische Lebensgemeinschaft, bestehend aus einem Pilzpartner (Mykobiont) und einem Algenpartner (Photobiont), welcher von einer Grünalge und/oder einem Cyanobacterium gebildet wird. Obwohl das antarktische Ökosystem als eines der einfachsten der Welt gilt, wird zunehmend klarer, dass die Biodiversität viel höher ist als bisher angenommen. Weiters sind die räumlichen Variationen der Biodiversität komplex, was möglicherweise regionale und/ oder lokale klimatische Unterschiede reflektiert. Die Zusammenhänge von klimatischen Bedingungen, Biodiversität und Evolution in der Antarktis sind nach wie vor größtenteils unbekannt, was wahrscheinlich durch eingeschränkte Verfügbarkeit von Probenmaterial für derartige Untersuchungen in vielen Bereichen des Kontinents begründet ist. Vor diesem Hintergrund hat das aktuelle Forschungsprojekt eine Erweiterung unseres Verständnisses über die Wirkung von Umweltfaktoren, speziell der Klimafaktoren, auf die Diversität, Verbreitung und Evolution der Flechten in der Antarktis und der angrenzenden Gebiete im Süden von Südamerika zum Ziel. Als Modellorganismen dienen Vertreter der, in der gesamten Antarktis verbreiteten Gruppe der lecideoiden Flechten. Die angestrebten Ziele sollen mittels analytischer Methoden der molekularen Phylogenie, der Ökologische Nischen-Modellierung (ecological niche modelling, ENM) und mit morphologisch- anatomischen Untersuchungen erreicht werden. Es steht eine einzigartige Sammlung von mehr als 700 Flechtenproben mit circum-antarktischer Abdeckung zur Verfügung. In der ersten Phase der Arbeit sollen zunächst die Identität der einzelnen Proben, die geografische Verteilung und die phylogenetischen Beziehungen der Myko- und Photobionten in den Untersuchungsregionen analysiert werden. Basierend auf diesen Analysen soll dann das Ausmaß der Spezifität der Symbiosepartner bezogen auf den Grad der klimatischen Faktoren in ihrem Lebensraum und der Überlappung der einzelnen ökologischen Nischen untersucht werden. Der hier vorgestellte Forschungsplan hat das Potential einen breit angelegten Einblick in die Beteiligung ökologischer (klimabedingter) Prozesse bei Entstehung, Erhaltung und Abgrenzung von Arten lecideoider Flechten der südlichen Polarregionen zu geben und deren Bedeutung für die Selektivität der einzelnen Mykobionten und ihrer Photobionten zueinander. Obwohl der Focus auf den Flechten liegt, könnte speziell eine Lösung dieser letzten und sehr kontroversiellen Thematik von großem Interesse für die Symbiose-Forschung generell sein, weil es explizit ökologische (klimabedingte) Erklärungen für Muster der Symbionten-Verteilung, -Diversität und -Evolution in klimatisch heterogenen Lebensräumen liefern kann.

Organismen die in klimatisch extremen Regionen leben, reagieren besonders empfindlich auf Veränderungen von Umweltbedingungen. Die aktuelle Klimaerwärmung führt z.B. für kälteangepasste Flechten dazu, dass sich ihre natürliche geografische Verbreitung verschiebt. Zusätzlich können sich die Interaktionen zwischen Pilz- (Mykobiont) und Algenpartner (Photobiont) der Flechtensymbiose, verändern. Die Symbiosepartner der Flechten sind unabhängig voneinander verbreitet und zeigen unterschiedliche Spezialisierungsgrade zueinander. Änderungen von klimatischen Bedingungen haben große Auswirkungen auf die klimasensiblen Flechten und deshalb sind sie ideale Modellsysteme, um die Effekte der Klimaerwärmung anhand ihrer Zusammensetzung und Biodiversität zu erfassen. Ziel dieses Projekts war es, mehr Einblicke in die Aspekte der Wechselwirkungen von Myko- und Photobionten von saxicolen (steinbewohnenden) lecideoiden Flechten in klimatisch extremen Gebieten der kontinentalen, maritimen Antarktis und subantarktischer Gebiete im südlichen Südamerika zu erlangen. Die terrestrischen Vegetationsgemeinschaften in diesen Regionen werden von Flechten dominiert, die dort eine wichtige Funktion als vegetationsbildende Pionierorganismen haben. Die Ziele dieses Projekts waren (1) die taxonomische und geografische Zuordnung der Myko- und Photobiontarten zu erfassen; (2) wie sich das Ausmaß der Spezifität zwischen den Symbiosepartnern auf die Breite ihrer ökologische Nischen auswirkt; (3) die Berechnung von flächendeckenden Klimavariablen (BIOCLIM) für den antarktischen Kontinent, die bei Projektbeginn noch nicht verfügbar waren; und (4) die Berechnung von Stammbäumen (Phylogenien) antarktischer und südamerikanischer Myko- und Photobionten im weltweiten Kontext um die Verbreitung der einzelnen Taxa zu erfassen. Insgesamt wurden 700 Flechtenproben untersucht, 500 für die Antarktis und 200 für die subantarktischen Gebiete im südlichen Südamerika. Die Ergebnisse zeigten eine überraschend hohe Vielfalt dieser Flechten und ihrer unabhängig voneinander verteilten Symbiosepartner, insbesondere für das südliche Südamerika, aber auch für die Antarktis. Mehrere endemische Arten und lokal differenzierte Untergruppen von global verbreiteten Arten deuten auf verschiedene trennende Ereignisse hin. Geografische Isolation, begrenzte Verbreitung durch das antarktische zirkumpolare Strömungssystem und regionalen Gletscherrefugien scheinen die Hauptursachen dafür zu sein. Die generalistischen Myko-und Photobionten bilden mit Abstand die am weitesten verbreitete Gruppe und kommen häufig vor. Auf bestimmte klimatische Bedingungen und Standorte spezialisierten Arten sind hingegen eher in kleinerer Anzahl vorhanden. Dies unterstützt die Annahme, dass hochspezifische Arten mit einer kleinen ökologischen Nische stärker gefährdet sind als Generalisten. Die unterschiedlichen Ausbreitungsmuster und deren Ursachen dieser kosmopolitischen Gruppe von Flechten sind erst wenig erforscht. Sie reagieren sehr sensibel auf Veränderungen der Umwelt und können deshalb als aussagekräftige Indikatoren dafür verwendet werden. Daher ist es notwendig größere Datensätze entlang der angenommenen Verbreitungswege wie z.B. hoher Gebirgszüge weltweit zu erstellen. Mit diesen Daten wird es möglich sein, Besiedlungs- und Ausbreitungsereignisse und die Auswirkung des Klimawandels auf die symbiotische Beziehung dieser bisher wenig bearbeiteten Gruppe von Flechten zu erfassen. Ein Folgeprojekt wurde bereits eingereicht, um die notwendige Weiterarbeit an diesem Thema zu gewährleisten.