Anpassung der Pflanzen an den Klimawandel mit Hilfe von freundlichen Bakterien
Die Untersuchung der Symbiose zwischen Pflanzen und bestimmten Mikroorganismen, die ihre Blätter bewohnen, könnte einen bedeutenden Einfluss auf das Verständnis der Pflanzenanpassung in Zeiten des Klimawandels haben. „Wir versuchen zu verstehen, wie sich Pflanzen diversifizieren, warum sich manche Pflanzen besser entwickeln als andere und wie sie sich möglicherweise an unterschiedliche Klimaänderungen anpassen“, so die Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts Symbiosis, Nina Rønsted. Wissenschaftler untersuchten pflanzenspezifische Bakterien, die sich in den Blättern bestimmter Pflanzenarten befinden. Dr. Brecht Verstraete, der ein zweijähriges Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium für die Zusammenarbeit mit Professorin Rønsted erhielt, stellte fest, dass die Symbiose nur in wenigen Pflanzengruppen vorkommt. Eine von ihnen ist die „Gattung“ Vangueria der Kaffeefamilie Rubiaceae, die rund 600 Arten beinhaltet. „In dieser Pflanzengruppe wurde die Symbiose am häufigsten nachgewiesen“, bemerkt er. „Wir fanden heraus, dass jede Art, die diese Bakterien beherbergt, ihre eigene einzigartige Bakterienart zu haben scheint – man spricht hier auch von einer Eins-zu-Eins-Beziehung.“ DNA-Analyse und -Datierung Die Pflanzen wurden hauptsächlich während Expeditionen nach Ost- und Südafrika gesammelt. Die DNA wurde aus den Blättern extrahiert und bestimmte Teile davon wurden sequenziert. „Wir haben ungefähr 160 Arten gefunden, von denen die eine Hälfte Bakterien enthielt und die andere Hälfte nicht, und verglichen dann ihre DNA-Sequenzen, so dass wir nachvollziehen konnten, wie schnell sie sich entwickelt haben.“ Sie diversifizierten sich und schufen im Laufe der Zeit neue Arten, erklärt Dr. Verstraete. Durch die Betrachtung der DNA-Sequenzen mit der molekularen Uhr – einer Technik, die die Mutationsrate von DNA-Molekülen verwendet, um zu bestimmen, wann in der Vorgeschichte Mutationen aufgetreten sind, und diese dann, falls vorhanden, mit Fossilien der jeweiligen Pflanze kalibriert, war er dazu in der Lage, den Zeitpunkt der Symbiose mit den Bakterien zu ermitteln. Das Alter der Pflanzenfossilien wurde anhand von geologischen Datierungsmethoden einschließlich der Kohlenstoffdatierung bestimmt. „Wir haben die Daten der Fossilien mit der DNA-Sequenz verknüpft, um herauszufinden, wie alt die Arten sind“, erklärt Dr. Verstraete weiter. Derartige Techniken wurden bisher dafür verwendet, um Pflanzen oder Tiere separat untersuchen zu können. Dies war das erste Mal, dass sie angewandt wurden, um eine Verbindung zwischen Pflanzen und pflanzenspezifischen Bakterien herzustellen. Entstehung von Mutationen durch die Abkühlung Afrikas Nach Ansicht von Dr. Verstraete fand die bakterielle Symbiose vor rund elf Millionen Jahre in der Zeit des späten Miozän ihren Ursprung. Etwa um diese Zeit kam es zu einer globalen Abkühlung und einem allgemeinen Rückgang des Kohlendioxids in der Atmosphäre. Als die afrikanische Kontinentalplatte mit dem eurasischen Kontinent kollidierte, wurde Afrika trockener und der Küstenregenwald, der den Kontinent bedeckte, schrumpfte und wurde durch offene Grasebenen oder Savannen ersetzt. „Dies war eine sehr schwierige Zeit für Pflanzen, da die Säugetiere, die großen Pflanzenfresser, es überall auf sie abgesehen hatten“, so Professorin Rønsted. Die Bakterien in den Blättern haben die Tiere möglicherweise ferngehalten, so dass die Pflanzen überleben konnten. Professorin Rønsted spricht hier von einer Art „chemischen Verteidigung“ vergleichbar mit Abwehrmechanismen wie Stacheln oder Dornen. „Es zeigt sich, dass die Pflanzen ohne die Bakterien nicht gut aufgestellt sind“, so Professorin Rønsted weiter. „Die Pflanze scheint auf die Interaktion mit diesen Bakterien angewiesen zu sein, und wenn man die Pflanzenlinien mit und ohne Bakterien vergleicht, findet man noch viel mehr Arten. Wir wissen, dass die Pflanzen, auf denen diese Bakterien leben, schneller und auch mehr neue Arten bilden, obwohl die Aussterberate die gleiche zu sein scheint.“ Dies ist ein Vorteil für die Pflanzen, die mit diesen Bakterien in Verbindung stehen, erklärt Professorin Rønsted. „Ein hohes Maß an Variation schafft eine sehr gute Grundlage für die Anpassung, falls diese erforderlich wird.“ Zu wissen, dass Pflanzen möglicherweise dazu in der Lage sind, sich mit Hilfe der bakteriellen Symbiose besser an den Klimawandel anzupassen, kann in der Zukunft beispielsweise zu einem effektiveren Naturschutz beitragen, erklärt sie.
Schlüsselbegriffe
Symbiose, DNA, Klimawandel, Pflanzenanpassung, Evolution, Afrika, Kaffee, Fossilien, Botanik
