Artenevolution in Symbiose

Evolutionäre Neuheiten sind das langzeitliche Ergebnis zwischenartlicher Interaktionen. Flechten stellen eines der besten Beispiele für Symbiose mit Pilzen dar, doch die Details der Artevolution unter symbiotischen Verhältnissen sind immer noch ungenügend bekannt. Flechten eignen sich sehr gut um die Frage der symbiotischen Evolution von Pilzarten zu erforschen, denn sie repräsentieren hoch diversifizierte Pilz- Abstammungslinien und sind durch ihre farbenreiche und auffällige Morphologie gut zu unterscheiden. Die Klassifikation von Flechten beruht hauptsächlich auf morphologischen Merkmalen. Dieser Einteilung nach sind viele Arten heterogen und stellen unerklärte Artkomplexe dar. Es ist jedoch nicht genügend verstanden, im welchem Umfang Mykobionten Genotypen mit Selektivität von Symbionten korrelieren. Das Ziel des Projektes ist es, den genetischen Aspekt der symbiotischen Artbildung in Flechten anhand von Taxa des kosmopolitisch verbreiteten Tephromela atra - Artkomplexes als Modellorganismen zu untersuchen. Wir werden eine Reihe von molekularen Markern benutzen, sowohl für den Pilz- als auch für den Algenpartner, was neue informative Merkmale aufzeigen und weitere Auskunft für die Artdefinition und phylogenetische Beziehungen innerhalb des Tephromela atra - Komplexes erbringen wird. Desweiteren wird getestet, ob die Ergebnisse von vorhergehenden Studien, die eine anhaltende genetische Differenzierung in sympatrischen Populationen von Tephromela atra aufgezeigt haben, bestätigt werden, und ob sie auf dem weltweiten Maßstab erweitert werden können. Wir werden außerdem in kontrollierten Kulturbedingungen die physiologische Performance der Algenpartner testen, welche ein Parameter darstellt, der die Adaptabilität von mykobiontischen Arten an spezifische ökologische Verhältnisse bestimmen und den Artbildungsprozess beeinflussen kann.

Ein zentrales Thema in der Ökologie und der Evolutionsbiologie ist die Erforschung, wie viele Arten es gibt und welche Prozesse für deren Entstehung verantwortlich sind. Allerdings ist die Bewertung der Biodiversität und deren Evolution bei vielen mikrobiellen Gruppen schwierig und stellt Forscher vor eine ganz besondere Herausforderung. Ein gutes Beispiel für die Evolution und Diversität von Arten sind Flechten. Sie sind zusammengesetzte Organismen, die aus einem strukturierten symbiotischen Verbindung von Pilzen, den sogenannten Mykobionten, mit photosynthetischen Algen, Photobionten genannt, bestehen und sowohl hohe phänotypische Plastizität als auch ein großes geographisches Verbreitungsgebiet besitzen. Um die Evolution von Mykobionten und Photobionten in Symbiose zu studieren, sammelten wir weltweit Proben, die zum flechtenbildenden Artenkomplex Tephromela atra und zu mit ihm verwandten Arten gehören. Basierend auf der Analyse von verschiedenen nuklearen Markern beider Symbionten, rekonstruierten wir eine phylogenetische Hypothese und verglichen diese in weiterer Folge mit morphologischen und chemischen Eigenschaften, um den Zusammenhang zwischen phänotypischen Eigenheiten und molekularen Daten feststellen zu können. Außerdem untersuchten wir mit Hilfe von molekularbiologischen und kulturabhängigen Ansätzen die Selektionsmuster, die Pilze ihren photobiontischen Partnern gegenüber zeigen. Indem wir die phylogenetischen Daten mit morphologischen und chemischen Eigenschaften, ökologischen Präferenzen und dem geographischen Ursprung der Flechten kombinierten, konnten wir sechs, gut voneinander abgegrenzte Arten von Tephromela- Mycobionten unterscheiden, die eine hohe Spezifität für ihre Trebouxia Photobionten aufweisen. Durch die sehr hohe Variabilität bei der Morphologie und in der chemischen Zusammensetzung der Flechten, war es allerdings nicht möglich, neue Taxa mit charakteristischen Merkmalen innerhalb der ökologisch weit verbreiteten Tephoromela atra Gruppe zu beschreiben. Tephoromela atra ist bei der Auswahl seiner Photobionten wenig selektiv, so wurden etwa sieben verschiedene Trebouxia Abstammungslinien im Verbund mit dem Pilz gefunden. Wir konnten mehrere bislang unbekannte Trebouxia Stämme identifizieren, was auf eine große, noch nicht erforschte Vielfalt bei lichenisierten Algen schließen läßt. Wir beobachteten, dass bestimmte Photobionten mit einigen abgegrenzten monophyletischen Pilzstämmen korreliert sind und diese Selektivität die Evolution von Mykobionten entscheidend beeinflusst, wohingegen weit verbreitete, Mykobionten, die keine Spezialisierung bei ihren Photobionten aufweisen, auch phylogenetisch nicht unterschieden werden können. Die Gemeinschaft von Flechtenpilzen mit einer großen Bandbreite an Photobionten könnte eine Art Sicherheitsstrategie sein, um sich gegen die Veränderung von Umweltbedingungen zu wappnen. So ist es wahrscheinlich, dass Flechten wechselnde ökologische Bedingungen besser überstehen, wenn sie große ökologische Nischen bewohnen oder eine breit gefächerte Auswahl an Photobionten mit Anpassungen an verschiedene Nischen besitzen. Das wäre auch eine Erklärung für die unterschiedliche Sensitivität von Flechten auf Veränderungen der Umwelt.