Neue Erkenntnisse: wie Pflanzen mit mehreren Chromosomensätzen sich an Kälte anpassen

BerlinWissenschaftler aus Heidelberg, Nottingham und Prag untersuchten, wie eine höhere Anzahl von Chromosomen Pflanzen dabei hilft, sich an kalte Umgebungen anzupassen. Sie entdeckten, dass Pflanzen mit mehr als zwei Chromosomensätzen, sogenannte Polyploide, Veränderungen in ihrer DNA aufweisen, die ihnen das Überleben in kalten Klimazonen erleichtern. Dies war besonders während der Eiszeiten für Pflanzen wie Löffelkrautarten von großer Bedeutung.

Wichtige Ergebnisse der Studie umfassen:

• Polyploide Arten können mehrfach dieselben ökologischen Nischen besetzen.
• Kälteangepasste Löffelkrautarten entwickelten separate Genpools und tauschten in kalten Regionen Gene aus.
• Genomstrukturvarianten treten bei Polyploiden häufiger auf als bei Diploiden.

Löffelkraut, auch bekannt als Cochlearia, trennte sich vor über zehn Millionen Jahren von seinen mediterranen Verwandten. Während sich deren Nachkommen an trockene Bedingungen anpassten, begann das Löffelkraut vor 2,5 Millionen Jahren in arktischen Regionen zu gedeihen. Das Team von Prof. Dr. Marcus Koch entdeckte, dass Cochlearia sich in den letzten zwei Millionen Jahren an wechselnde kalte und warme Perioden anpassen konnte. Die genauen genomischen Mechanismen, die diese schnelle Anpassung ermöglichten, waren bis vor kurzem weitgehend unbekannt.

In dieser Studie sequenzierte das Team von Prof. Dr. Levi Yant das Genom von Cochlearia excelsa und erstellte ein Pan-Genom. Sie analysierten über 350 Genome verschiedener Cochlearia-Arten. Die Ergebnisse zeigten, dass polyploide Pflanzen häufiger strukturelle Veränderungen in ihren Genomen aufweisen als diploide Pflanzen. Diese Veränderungen sind schwer zu erkennen, da die zusätzlichen Genomkopien sie überdecken, was es ermöglicht, dass sie sich ansammeln, ohne durch natürliche Selektion eliminiert zu werden.

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Polyploide-spezifische Veränderungen in der DNA treten häufig in Genen auf, die für die Anpassung an unterschiedliche Klimabedingungen wichtig sind. Detaillierte Untersuchungen zeigten, dass diese Veränderungen das Wachstum der Samen und die Krankheitsresistenz der Pflanzen beeinflussen können. Dr. Filip Kolář erwähnte, dass diese Anpassungen in Zukunft eine wesentliche Rolle bei der Anpassung der Pflanzen an den Klimawandel spielen könnten.

Prof. Koch warnt, dass mitteleuropäische Cochlearia-Arten den Klimawandel möglicherweise nicht überleben. Ein Beispiel ist Cochlearia excelsa, die bereits auf den Gipfeln der österreichischen Berge wächst und keinen höheren Lebensraum finden kann. Ebenso wird die Pyrenäen-Löffelkresse in Hügel- und Bergregionen Mitteleuropas auf Probleme stoßen. Doch der gesamte Genpool dieser kälteangepassten Pflanzen könnte in nördlichen Gebieten fortbestehen.

Diese Forschung hilft uns zu verstehen, wie Pflanzen mit zukünftigen Klimaveränderungen umgehen könnten. Levi Yants Arbeit wurde durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) unterstützt. Auch das Team der Universität Heidelberg hat in den letzten 25 Jahren wesentlich beigetragen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Die Untersuchung zeigt, dass Genomverdopplung in polyploiden Pflanzen ihre Anpassung an veränderliche Umwelten begünstigt. Dieses Wissen ist entscheidend, um zu verstehen, wie Pflanzen zukünftige Klimaänderungen überleben könnten. Zudem unterstreicht es die Notwendigkeit, die pflanzliche Vielfalt in verschiedenen Regionen zu bewahren.