Selbstbefruchtung als Folge des Klimawandels

Wie schon Darwin annahm, kann Selbstbefruchtung für Pflanzen sinnvoll sein, wenn aus ökologischen Gründen Paarungspartner oder Bestäuber rar sind. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Evolutionsbiologen Ken-taro Shimizu von der Universität Zürich konnte jetzt anhand einer Pflanzenvari-ation von Arabidopsis thaliana, die bei Weiningen ZH gesammelt wurde, nach-weisen, dass sich Selbstbefruchtung als Folge des Wechsels von Kalt- und Warmzeiten entwickelt hat.

Selbstbefruchtung ist für Pflanzen eine der Möglichkeiten, Nachkommen zu erzeugen. Doch die Befruchtung durch den eigenen Pollen birgt auch Nachteile als Folge der damit einher-gehenden Inzucht. Selbstbefruchtung kann aber trotzdem sinnvoll sein: Dann nämlich, wenn Paarungspartner oder Bestäuber rar sind. Unter diesen Bedingungen entsteht ein massiver Evolutionsdruck, und Selbstbefruchtung kann sich schnell entwickeln – diese Hypothese formulierte Charles Darwin bereits 1876. Jetzt ist es einer internationalen Forschungsgruppe (aus der Schweiz, Japan und Deutschland) unter der Leitung von Kentaro Shimizu, Professor an der Universität Zürich, gelungen, mit Hilfe der Modellpflanze Ackerschmalwand – Arabi-dopsis thaliana – Darwins Hypothese zu untermauern. Das Projekt wurde von der Universi-tät Zürich im Rahmen des Schwerpunktprogramms Systembiologie/Funktionale Genomfor-schung unterstützt.

Selbstbefruchtend durch Genverlust
Arabidopsis thaliana überlebte die Eiszeiten in warmen Regionen, z.B. auf der iberischen Halbinsel. Mit dem Abschmelzen der Gletscher erweiterte Arabidopsis thaliana ihr Verbrei-tungsgebiet wieder auf ganz Europa. Doch die rasche Vergrösserung des Verbreitungsgebie-tes hatte Folgen: Es mangelte an Paarungspartnern. Durch spontane Mutationen veränderte Pflanzen, die sich selbst befruchten konnten, hatten einen Evolutionsvorteil.

Pflanzen ohne Selbstbefruchtung verhindern diese mit Hilfe eines Erkennungssystems, wo-durch das SRK-Protein im Stempel (weiblich) das SCR-Protein in den eigenen Pollen (männ-lich) erkennt und diese Pollen abstösst. Arabidopsis thaliana aber ist selbstbefruchtend. Unklar war bis anhin, wie diese Selbstbefruchtung entstanden ist. Shimizu und sein Team können in ihrem in Nature publizierten Artikel jetzt erstmals zeigen, dass bei Arabidopsis thaliana das SCR-Gen erst vor relativ kurzer Zeit – während des Wechsels von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten – funktionslos geworden ist. Für die Forschungsgruppe war eine ur-sprünglich bei Weiningen ZH gefundene Pflanzenvariante entscheidend, da sie im Gegen-satz zu den meisten anderen über ein intaktes weibliches SRK-Gen verfügt. Den Forschern gelang es dann, das männliche SCR-Gen wieder herzustellen, die Evolution also rückgängig und Arabidopsis thaliana so künstlich wieder selbstunfruchtbar zu machen. 

Die rasche Entwicklung der Selbstbefruchtung in der Evolution ermöglicht das Überleben einer Art. Doch sie birgt Risiken, denn Selbstbefruchtung ist nahezu irreversibel – im Hin-blick auf die momentane Klimaerwärmung eine wichtige Erkenntnis. Das bedeutet, dass die durch den Klimawandel hervorgerufenen genetischen Veränderungen von Pflanzen und Tieren sich nicht einfach wieder umkehren lassen, selbst wenn der Klimawandel rückgängig gemacht werden könnte. Evolutionäre Reaktionen auf Klimaveränderungen sind bis jetzt nur wenig untersucht worden. Aus diesem Grund hat Professor Shimizu gerade ein vom Schweizerischen Nationalfonds unterstütztes Gemeinschaftsprojekt mit ETHZ and WSL zur Variation des Erbguts bei alpinen Pflanzen gestartet.

Literatur:  Takashi Tsuchimatsu, Keita Suwabe, Rie Shimizu-Inatsugi, Sachiyo Isokawa, Pavlos Pavli-dis, Thomas Städler, Go Suzuki, Seiji Takayama, Masao Watanabe & Kentaro K. Shimizu,  Evolution of self-compatibility in Arabidopsis by a mutation in the male specificity gene, Nature, DOI 10.1038/nature08927

Kontakt:  Prof. Dr. Kentaro Shimizu, Institut für Pflanzenbiologie, Universität Zürich, Tel. +41 44 63 48247 oder 48211, E-Mail shimizu (at) botinst.uzh.ch

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