GMI: Blütenpracht durch genetische Anpassung: Wiener Wissenschafter entschlüsseln Genom der Akelei

Die Akelei ist eine Pflanze mit auffallend schönen Blüten und rund siebzig verschiedenen Arten in der nördlichen Hemisphäre, vier davon findet man in Österreich. Diese große Vielfalt ist das Ergebnis eines Prozesses, welcher adaptive Radiation genannt wird: Die adaptive Radiation lässt, aufgrund der Anpassung an neue Standorte, neue Arten sehr schnell entstehen. Bei der Akelei sind durch diesen Prozess Arten mit sehr unterschiedlichen Blütenfarben und -formen entstanden, die untereinander problemlos gekreuzt werden können. In Gärtnereien und Privatgärten konnte dadurch eine riesige Vielzahl von sehr unterschiedlichen prachtvollen Blütenvariationen gezüchtet werden.

Um die Evolutionsgeschichte der Akelei zu verstehen und um herauszufinden, wie die adaptive Radiation funktioniert, hat eine multinationale Forschungsgruppe unter der Führung von Daniele Filiault aus dem Labor von Magnus Nordborg des Gregor Mendel Instituts (GMI) für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften die Genome von elf verschiedenen Akeleien sequenziert. Diese Arbeit wurde am Dienstag im Journal eLife publiziert.

Die Forscher haben herausgefunden, dass die genetische Verwandtschaft bei den elf Pflanzen trotz großer geografischer Entfernung sehr hoch war.

„Das bestärkt unser modernes Verständnis, dass die Entstehung einer neuen Art (im Allgemeinen) nicht durch ein simples Einzelereignis verursacht wird, welches zwei Populationen einer Art unterschiedlich entwickeln lässt, bis sich diese nicht mehr untereinander fortpflanzen können und dadurch zwei Arten bilden. Stattdessen ist die Artentstehung ein langer, komplizierter Vorgang, bei dem sich verschiedene Populationen über eine lange Zeit untereinander kreuzen und damit genetische Informationen austauschen können“, erklärt Magnus Nordborg, Gruppenleiter und wissenschaftlicher Direktor des GMI.

Erstaunlicherweise fanden die Forscher heraus, dass sich eines der sieben Akelei-Chromosomen völlig anders entwickelt hat als der Rest. Dieses Chromosom hat weniger Gene als die übrigen Chromosomen, dafür weist es fast doppelt so viele Sequenzvarianten auf als die anderen. „Das ist das erste Mal, abgesehen von Geschlechts-Chromosomen, dass festgestellt wurde, dass sich ein einzelnes Chromosom gänzlich anders entwickelt als das restliche Genom“, so Daniele Filiault. „Die Gründe dafür sind uns bis jetzt unklar, deshalb möchte ich weiterhin dieses spezielle Chromosom erforschen. Diese Erkenntnis könnte uns dabei helfen, zwischen verschiedenen Forschungsansätzen eine Brücke zu bauen. Einerseits erforschen Populationsgenetiker die Evolution an Hand von DNA-Veränderungen im Laufe der Zeit, anderseits konzentrieren sich die Genom-Biologen auf die Entwicklung von Chromosomen. Die Ergebnisse unserer Forschung legen nahe, dass wir die Vorstellungen beider Felder miteinander kombinieren könnten, um unser Wissen über die gesamte Entwicklung von Genomen zu erhöhen.

Zusammengefasst stellt diese Arbeit den Forschern Instrumente zur Verfügung um zu verstehen, wie die adaptive Radiation diese unglaubliche Blütenvielfalt bei der Akelei hervorgebracht hat. Der Blick auf die Entwicklung in der Vergangenheit könnte es den Forschern ermöglichen, Modelle für die Zukunft zu entwickeln und somit abzuschätzen, wie sich Pflanzenarten an den zukünftigen Klimawandel anpassen werden.

Der Artikel

Filiault et al. (2018) The Aquilegia genome provides insight into adaptive radiation and reveals an extraordinarily polymorphic chromosome with a unique history. eLife:36426. https://doi.org/10.7554/eLife.36426

Über das GMI

Das Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) wurde von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Jahr 2000 gegründet, um Spitzenforschung in der molekularen Pflanzenbiologie zu fördern. Das GMI gehört zu den weltweit wichtigsten Pflanzenforschungseinrichtungen. Mit mehr als 130 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern aus 35 Ländern erforscht das GMI primär die Grundlagen der Pflanzenbiologie, vor allem molekulargenetische Aspekte wie epigenetische Mechanismen, Populationsgenetik, Chromosomenbiologie, Stressresistenz und Entwicklungsbiologie. Das GMI befindet sich in einem modernen Laborgebäude der Österreichischen Akademie der Wissenschaften am Vienna BioCenter, gemeinsam mit mehreren Forschungsinstituten sowie Biotechnologie-Firmen.