Modellierung a-/biotischer Faktoren einer Pflanzenradiation

Weltweit gehören Hochgebirge zu den artenreichsten Lebensräumen überhaupt. Das unregelmäßige Relief von Gebirgen ermöglicht die Verzahnung sehr unterschiedlicher Lebensraumtypen auf engstem Raum, was wohl maßgeblich zur Entstehung der großen Artenvielfalt in Gebirgen beigetragen hat. Obwohl Gebirge seit Jahrhunderten Gegenstand der wissenschaftlichen Forschung sind, haben viele Studien bislang nur einzelne Faktoren (z.B. klimatische Bedingungen) in der Evolutionsgeschichte von Organismengruppen betrachtet. So wie sich jedoch klimatische Bedingungen von Tieflagen bis ins Gebirge verändern, so verändern sich auch Interaktionsgefüge mit anderen Organismengruppen wie Bestäubern. In tropischen Gebirgen wie den Anden, zum Beispiel, sind Bienen wichtige Bestäuber in Tieflandregenwäldern, während Wirbeltiere wie Kolibris vor allem in großen Höhen die Bestäuberfunktion übernehmen. In meinem Projekt werde ich das komplexe Zusammenspiel sogenannter abiotischer Faktoren wie dem Klima und biotischer Prozesse wie Bestäubung in der Evolutionsgeschichte der Pflanzengruppe Merianieae untersuchen. Die etwa 300 Arten haben ihren Diversitätsschwerpunkt in den tropischen Anden und die meisten Arten sind innerhalb der letzten fünf Millionen Jahre entstanden. Ein Großteil der Arten wird durch einen spezialisierten Vibrationsbestäubungsmechanismus bestäubt, wo Holzbienen oder Hummeln Pollen mittels Vibrationen aus den Blüten herausschütteln. Diese bienenbestäubten Arten sind vor allem in Tieflandregenwäldern verbreitet, einzelne Arten kommen aber auch in Nebelwäldern (ca. 2400 m bis 3300 m) vor. In Nebelwäldern herrschen jedoch oft kühle, unwirtliche Bedingungen, die die Aktivität der Bienen stark einschränken. Es ist daher wenig verwunderlich, dass sich zahlreiche Merianieae-Arten, die in Nebelwäldern vorkommen, an alternative Bestäuber wie Vögel, Fledermäuse und Mäuse angepasst haben, die von dem kühlen und regnerischen Klima weniger betroffen sind. Bis heute wissen wir allerdings nicht, inwieweit Wechsel von Bienen- zu Wirbeltierbestäubung eine notwendige Voraussetzung für die Besiedlung dieser Gebirgswälder waren. Alternativ könnten zuerst Anpassungen an die sich mit der Andenauffaltung vor etwa fünf Millionen Jahren verändernden klimatischen Bedingungen stattgefunden haben. Diesen Fragen werde ich durch die Kombination unterschiedlicher mathematischer Modellierungsmethoden nachgehen. Während solche Modellierungen rein im Computer stattfinden, werde ich darüber hinaus Feldarbeit in den Nebelwäldern Kolumbiens und Ekuadors durchführen, um besser zu verstehen, wieso manche Arten in Nebelwäldern die ursprüngliche Bienenbestäubung bewahrt haben, während andere zu Wirbeltierbestäubung wechselten. Ich arbeite mit einem diversen, internationalen Expertenteam zusammen und freue mich sehr auf einen Forschungsaufenthalt an der University of Colorado Boulder in den USA.

Interaktionen zwischen Tieren und Pflanzen sind allgegenwärtig und haben die Evolution beider Organismengruppen geprägt. Blüte-Bestäuber-Interaktionen kommt hierbei eine besonders wichtige Rolle zu, da Bestäuber unmittelbar den Reproduktionserfolg der Pflanzen beeinflussen. Viele Pflanzen zeigen dementsprechend Anpassungen in ihren Blütenmerkmalen an unterschiedliche Bestäubergruppen, so sind vogelbestäubte Blüten häufig rot, enthalten viel Nektar und haben schmale, tiefe Blütenröhren, während bienenbestäubte Blüten häufig blau oder gelb sind, nur kleinere Nektarmengen produzieren, und breitere oder offene Blüten bilden. Während unser Verständnis von Blütenanpassungen an unterschiedliche Bestäubergruppen mittlerweile relativ gut ist, wissen wir nach wie vor wenig darüber, wiese Pflanzenarten überhaupt zwischen Bestäubern wechseln, wie es zu solchen Bestäuberwechseln kommt, und welchen Einfluss diese auf die Diversifizierung (also Entstehung neuer Arten) haben. In diesem Forschungsprojekt haben wir uns konkret mit den historischen Auslösern von Bestäuberwechseln sowie deren Auswirkungen beschäftigt. Dabei haben wir unterschiedliche Methoden der Modellierung und von Verwandtschaftsanalysen mit genetischen Stammbäumen verschiedener Pflanzengruppen verwendet. Wir konnten zeigen, dass Bestäuberwechsel zwischen Bienen und Vertebraten nicht zufällig passieren, sondern in starkem Zusammenhang mit abiotischen klimatischen Faktoren stehen. In den tropischen Zonen Süd- und Zentralamerikas finden sich kolibribestäubte Pflanzen überzufällig häufig in kühlen Gebirgslagen und Nebelwäldern, während bienenbestäubte Arten überzufällig häufig in Tieflandregenwäldern zu finden sind. Im temperaten Nord- und Südamerika verschwimmen diese Muster, dort finden sich kolibribestäubte Arten häufig in tieferen Lagen, dafür aber eher in feuchten Habitaten. Wir konnten des weiteren zeigen, dass Bestäuberwechsel selbst keine Auswirkungen auf die Diversifizierungsrate einer tropischen Pflanzengruppe haben. Vielmehr war die Kolonisation der sich auffaltenden Anden vor etwa 10-15 Millionen Jahren ausschlaggebend für einen sprunghaften Anstieg in der Artzahl der Pflanzengruppe, die bis heute in den Nebelwäldern der Anden hohe Diversifikationsraten zeigt. Für die tropische Pflanzenfamilie Melastomataceae konnten wir darüber hinaus zeigen, dass die Kolonisation von Gebirgen generell vor Bestäuberwechseln passiert ist, und also wahrscheinlich den Auslöser derselben darstellt. Da viele Bienenarten von den oft kühlen, feuchten Bedingungen im Gebirge in ihren Blütenbesuchen stark eingeschränkt sind, während Wirbeltiere auch bei kühlem Wetter Blüten besuchen können, stellen diese physiologischen Unterschiede die wahrscheinlichste Erklärung für die Bestäuberwechsel-Klima-Assoziation dar. Darüber hinaus konnten wir sowohl in makroökologischen sowie theoretischen Arbeiten zeigen, dass gewisse Blütenmerkmale wie Blütenfarbe nicht nur der Selektion durch Bestäuber unterliegt, sondern auch von klimatischen Bedingungen beeinflusst wird. Konkret kommen rosa und rote Blüten häufiger in kühlen, gelbe und violette Blüten häufiger in trockenen, sonnigen Gebieten vor. Weiters konnten wir in einer Serie von Studien zeigen, dass bienenbestäubte Melastomataceae eine erstaunliche Blütendiversität aufweisen, wie sie bei Arten, die alle von der gleichen Gruppe von Bestäubern besucht wird, nicht unmittelbar zu erwarten wäre.