Akklimatisation und Adaptation in Arabidopsis arenosa

Projekttitel und Inhalt: Pflanzen haben die Fähigkeit, sich an die jeweiligen Umweltbedingungen ihres Standortes anzupassen. Dies erlaubt es ihnen auch, neue Standorte zu besiedeln. Hierzu sind sowohl sogenannte "Akklimatisationen" das sind Anpassungen, die zu einer Änderung der Gestalt und der Funktion einer Pflanze führen und andererseits "Adaptationen" notwendig. Letztere umfassen genetisch fixierte Änderungen, die sich im Laufe der Evolution ausgebildet haben. Dadurch können sogenannte "Ökotypen" entstehen, lokal adaptierte Populationen von Pflanzen, die miteinander noch fruchtbare Nachkommen erzeugen (d.h. sie sind keine eigenen Arten). Im Projekt "Anpassungen an alpine Umweltbedingungen in der Sand-Schaumkresse Arabidopsis arenosa: Akklimatisation und Adaptation" werden diese Prozesse am Beispiel einer repräsentativen Pflanze untersucht, welche sowohl alpine Populationen wie auch Tieflandformen hervorbringt. Fragestellung: 1) Durch welche Eigenschaften ist der alpine Ökotyp von Arabidopsis arenosa charakterisiert und wie spielen hier äußere Gestalt und Stoffwechsel zusammen, damit diese Pflanze an alpinen Standorten gedeihen kann? 2) Sind die Eigenschaften, welche das Leben an solchen Standorten ermöglichen, durch die Prozesse der Akklimatisation und der Adaptation zu erklären? Methoden: Acht aus den Alpen und den Karpaten stammende Tieflagen-Populationen von Arabidopsis arenosa sowie acht korrespondierende Populationen von alpinen Hochlagen werden in einem "reziproken Transplantations-Experiment" verpflanzt. Die Auswirkungen der neuen klimatischen Bedingungen auf die wechselseitig verpflanzten Populationen werden untersucht; dafür werden morphologische Parameter wie Wuchsform, Biomasse und Anzahl der Samen mit klassischen Biometrie-Verfahren, physiologische Parameter wie Photosyntheseleistung mit "nicht-invasiven" (d.h. berührungslosen) Verfahren untersucht und Stoffwechsel-Funktionen mittels "Metaboliten-Profiling". Neuheiten und Innovationen: Dem Projektteam steht ein einzigartiges Set von alpinen Populationen der Art Arabidopsis arenosa zur Verfügung, welche durch "parallele Evolution" aus ihren jeweiligen Tieflandformen entstanden sind. Die Daten aus dem Projekt, die Aufschlüsse über spezifische Anpassungen an den alpinen Lebensraum geben, werden mit dem Genom dieser Populationen abgeglichen, um die molekulare Basis der Adaptation an alpine Umweltbedingungen zu entschlüsseln. Derartige Untersuchungen geben Aufschluss über Anpassungen von Pflanzen an ihre Umwelt, was auch für ein besseres Verständnis der Effekte des Klimawandels relevant ist.

Um die Auswirkungen des Klimawandels auf die biologische Vielfalt und die landwirtschaftliche Produktion vorhersagen zu können, ist ein klares Verständnis darüber erforderlich, wie sich Pflanzen an unterschiedliche klimatische Bedingungen anpassen. Diese Anpassungsfähigkeit, die zu einer Änderung der Gestalt und der Funktion einer Pflanze führen kann, erlaubt es Pflanzen auch, neue Standorte zu besiedeln. Hierzu sind kurzfristige "Akklimatisationen" notwendig, wie auch genetisch fixierte "Adaptationen", die im Laufe der Evolution erworben werden. Diese Anpassungen können zur Bildung neuer "Ökotypen" führen. In diesem Projekt wurde anhand der Sand-Schaumkresse (Arabidopsis arenosa) ein ausgezeichnetes Modell für die Untersuchung von Anpassungen an Umweltfaktoren wie Temperatur, Lichtintensität, Niederschlag und Schneebedeckung erforscht, wie alpine Populationen dieser Pflanze durch Akklimatisation und Adaptationen geprägt wurden. Hierbei wurde untersucht, (a) welche anatomischen, physiologischen und molekularen Merkmale alpine Populationen definieren und (b) ob diese Merkmale Akklimatisationen und / oder Adaptationen an die alpine Umgebung widerspiegeln. Dafür wurde ein Set von alpinen Populationen verwendet, die sich durch "parallele Evolution" von Populationen aus tieferen Höhenlagen entwickelt hatten. Je acht Populationen aus tieferen Lagen (etwa 1000 m Seehöhe) und alpine Populationen (etwa 2000 m Seehöhe) aus den Ostalpen (Österreich), den Karpaten (Rumänien) und dem Tatra-Gebirge (Slowakei) wurden in "reziproken Transplantations-Experimenten" den Umweltbedingungen verschiedener Höhenlagen ausgesetzt. Ökophysiologische Parameter (Blattanatomie und - physiologie, Photosynthese), "Omics"-Analyse von Blättern (Stoffwechsel-Metabolite, Re- Analyse von Transkriptomdaten) und biochemische Daten (Pigmente, Kutikula-Wachse) wurden mittels bioinformatischer Methoden mit Genomdaten integriert. Die Populationen aus den zwei verschiedenen Höhenlagen zeigten ähnliche Adaptationen bezüglich Überlebensfähigkeit, oberirdischer Biomasse, Blühen und Länge der Sprossachse, während der Rosettendurchmesser sowie die Anzahl der Blätter, der Sprossachsen und der Blüten die geografische Herkunft widerspiegelten. Die parallele Adaptation konnte auf den unterschiedlichen Selektionsdruck in tieferen und alpinen Lagen in Kombination mit einem fehlenden bzw. begrenzten Genfluss zwischen den Populationen zurückgeführt werden. Dies erlaubte es, die Populationen aus verschiedenen Höhenlagen zwei verschiedenen Ökotypen zuzuordnen. Eine weitere Adaptation betrifft die dynamische Anpassung der Frostresistenz. Der alpine Ökotyp ist besser an niedrige Temperaturen angepasst, hat dickere Blätter und weniger Trichome (Blatthaare), und die Blätter unterscheiden sich bezüglich ihres Wassersättigungsdefizits und der kutikulärer Leitfähigkeit. Die beiden Ökotypen unterschieden sich bezüglich der Funktion ihrer Kutikula (ein wachsartiger Überzug der äußersten Zellschicht), welche Unterschiede im genetischen Hintergrund, der Genregulation und der biochemischen Zusammensetzung, wie ihrem Gehalt an Fettalkoholen, aufwies. Die Projektdaten wurden auf nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt und in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht (bisher 3 Artikel). Zwei Postdocs wurden drei Jahre lang angestellt und 8 Studierende wurden ausgebildet (1 Doktorarbeit, 2 Master, 3 Lehramts- und 2 Bachelorarbeiten). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt zur Grundlagenforschung beitrug, indem neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Klimafaktoren und der Bildung von Ökotypen gewonnen wurden, was für die Landwirtschaft und den Naturschutz relevant sein könnte.