Die Eroberung der Welt: das Gras Deschampsia cespitosa

Pflanzen-Familien oder -Gattungen sind häufig interkontinental oder gar weltweit verbreitet. Einzelne Arten kommen zwar öfters auf mehreren Kontinenten vor, aber selten ist eine Art ohne absichtliches oder unabsichtliches/indirektes menschliches Zutun weltweit verbreitet. Die Rasenschmiele (Deschampsia cespitosa), ein ausdauerndes Gras der kühl-gemäßigten bis subarktischen Zonen (inklusive tropische Hochgebirge) in (halb-)natürlichen Lebensräumen ist so ein Fall. Sie hat ihre gegenwärtige Verbreitung vermutlich ohne menschliche Unterstützung etabliert. Wir wollen die räumlichen und zeitlichen Muster der Ausbreitung über weite Distanzen untersuchen, die zu dieser weltweiten Verbreitung geführt haben. Dazu wollen wir die biogeographischen Beziehungen zwischen den Populationen auf und zwischen den verschiedenen Kontinenten (inklusive der Antarktis) analysieren. Weiters wollen wir untersuchen, ob die in verschiedenen Regionen festgestellten polyploiden Varianten dieser Art nur einmal oder mehrmals unabhängig voneinander entstanden sind. Mit dem Einsatz verschiedener molekularer und genomischer Methoden wie der Sequenzierung von Chloroplasten DNA (cpDNA) und Analyse der Variation in der Kern-DNA mittels Restriction site Associated DNA markers (RADseq) wollen wir die möglichen Ausgangspopulationen und ihre Derivate aufspüren. Aus den cpDNA Daten soll sich ein ein globales Bild der Wanderwege innerhalb und zwischen Regionen und Kontinenten rekonstruieren lassen. Die RADseq Daten werden zunächst eine präzise Information über die Ähnlichkeiten zwischen Populationen/Populationsgruppen ergeben. Diese Daten werden auch hinsichtlich der genetischen Struktur und Diversität der Populationen untersucht um mögliche Phasen genetischer Verarmung als Folge sehr kleiner Gründer-Populationen nach einer Ausbreitung über sehr weite Distanzen aufzuspüren. Mittels zytogenetischer Methoden: FlowCytoMetrie (FCM) und Chromosomenzählungen werden Ploidie-Grad und Chromosomenzahlen untersucht. Morphologische Daten werden den gesammelten vollständigen Pflanzen sowie den Aufsammlungen in den Herbarien entnommen. Damit wird ein globales Bild der morphologischen Variation in dieser Gräser-Art hergestellt und untersucht, wie diese Variation mit der genetischen und genomischen Variation zusammenhängt. Dies wird uns bei der Entscheidung helfen, ob einigen klein- regionalen und lokalen Varianten (Lokal-Endemiten) der Status einer Unterart oder Art gebührt. Für die mitteleuropäischen Lokal-Endemiten werden wir auch genauere Daten zum Lebensraum erheben und in die Analysen miteinbeziehen. Die geplante Studie ist nach unseren Kenntnissen die erste biogeographische Analyse in einer weltweit verbreiteten Gräser-Art mittels einer Kombination der vorgeschlagenen Methoden. Wir erwarten neue Einsichten in die globalen Ausbreitungs-Muster der Pflanzen und ebenso in die Entstehung der Grasland-Ökosysteme der gemäßigten Breiten.

Wir haben die Biogeographie der weltweit verbreiteten Gräserart Deschampsia cespitosa (Rasenschmiele) und einiger ihrer vermutlichen Derivate mittels Next Generation Sequencing Techniken , Genom-Größen-Messungen und morphometrischen Analysen untersucht. Dieses Gras ist eine der seltenen Arten, deren weltweite Verbreitung vermutlich ohne das Zutun des Menschen seit Beginn der Neuzeit zustande gekommen ist. Dieses Gras ist daher ein exzellentes Modell um die Effekte von Isolation durch Distanz auf die genetische Struktur auf verschiedenen regionalen, kontinentalen und interkontinentalen Skalen zu untersuchen. Ebenso lassen sich verschiedene Muster der Ausbreitung/Migration im Zusammenhang mit einer aus der genetischen Struktur ableitbaren relativen Zeitskala untersuchen. Natürlich war die Aufsammlung der nötigen Proben nur mit Hilfe vieler Kolleginnen und Kollegen aus allen Kontinenten möglich. Unter anderem haben wir eine ausgezeichnete Unterstützung in den riesigen Ländern von Russland und China erhalten. Wir mussten jedoch zur Kenntnis nehmen, dass unser Aufsammlungs-Programm ein bisschen zu optimistisch war. Einige anfängliche Zusagen haben letztlich nicht oder nur mit großer Verzögerung gehalten. Schließlich gab es auch bedingt durch die Pandemie und die daraus resultierende Unmöglichkeit, in bestimmte Regionen zu reisen, die Schließung von Forschungs- und Sammlungsinstituten usw. eine Verzögerung. Wir konnten deshalb das Forschungsprogramm nicht wie geplant mit Juni 2020 beenden, sondern mussten den FWF um eine Verlängerung bis November 2021 ersuchen, die auch gewährt wurde. Mit DNA-Extrakten von Herbarbelegen aus Nordamerika konnten wir schließlich das globale Sammlungsprogramm komplettieren. Wesentliche neue Befunde unserer Forschung zeigen, dass es anscheinend alte, glaziale/präglaziale Verdoppelungen der Chromosomensätze gegeben hat neben jüngeren postglazialen Ereignissen, was sich aus den Genomgrößen und der genetischen Differenzierung der entsprechenden Aufsammlungen ableiten läßt. Diese sogenannten Polyploiden unterscheiden sich zum Teil auch in den reproduktiven Strategien und haben auch unterschiedliche Habitat-Ansprüche. Für die in Neuseeland endemischen Deschampsia-Arten hat sich gezeigt, dass diese die Nachkommen einer sehr alten Einwanderung auf diese isolierte Insel aus dem späten Miozän/Pliozän sind. Sie gruppieren sich genetisch zu einer antarktisch-südamerikanischen Deschampsia-Art und sind von der auch dort vorkommenden weltweit verbreiteten Deschampsia cespitosa genetisch isoliert, hybridisieren aber gelegentlich mit dieser. In Europa haben wir in Grundzügen eine genetische Struktur vorgefunden, die ähnlich auch bei anderen Organismen gefunden wurde. Allerdings ist diese Struktur bei Deschampsia durch den seit einigen Jahrtausenden steigenden anthropogenen Einfluss auf dieser kontinentalen Skala etwas überprägt. Ein weiteres Manuskript über die Verhältnisse in Asien (Russland, Kasachstan, China, Korea) ist in Vorbereitung. Dieses befasst sich besonders mit der fundamentalen Inkongruenz zwischen genetischen und morphologischen Daten und den daraus resultieren Problemen für die Artabgrenzung und Taxonomie. Für eine finale, globale Analyse werden gegenwärtig noch Daten analysiert.