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Der Evolutions\u00f6kologe Niek Scheepens untersucht, wie sich \u00adPflanzen an den Klimawandel anpassen. Daf\u00fcr holt er Samen aus Saatgutbanken, die dort vor Jahrzehnten eingelagert wurden, und vergleicht Merkmale der daraus wachsenden Pflanzen.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n
Eine Reihe von Pflanzenarten sind akut vom Aussterben bedroht, durch Vernichtung ihres Lebensraus, durch Klimawandel oder Umweltverschmutzung. Um die biologische Vielfalt zu bewahren, wurden seit Beginn des 20. Jahrhunderts \u00fcberall auf der Welt Saatgutbanken ins Leben gerufen, zun\u00e4chst nur f\u00fcr Kulturpflanzen wie Getreide, H\u00fclsenfr\u00fcchte oder Obstb\u00e4ume. Sp\u00e4ter kamen solche f\u00fcr Wildpflanzen hinzu, damit die Arten nicht ganz verloren sind, sollten die nat\u00fcrlichen Populationen in der Zukunft wirklich aussterben. Mit den gelagerten Samen lie\u00dfe sich die Art dann in der Natur wiederansiedeln. Oder man k\u00f6nnte sie vorbeugend in noch existierende, aber kleine und vom Aussterben bedrohte Populationen eins\u00e4en \u2013 in der Hoffnung, deren \u00dcberlebenschancen so zu vergr\u00f6\u00dfern.<\/p>\n\n\n\n
Mit solchen Samen aus Saatgutbanken hat der Pflanzenforscher Niek Scheepens ein Experiment gemacht, um die Folgen des Klimawandels zu beobachten. Es trug den vom gleichnamigen Hollywoodfilm inspirierten Titel \u00bbBack to the Future \u2013 Zur\u00fcck in die Zukunft\u00ab. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben im Experiment zwar selbst keine Zeitreise gemacht, holten aber doch Forschungsobjekte aus der Vergangenheit in die Gegenwart hin\u00fcber.<\/p>\n\n\n\n
Scheepens und sein Forschungsteam nahmen Hunderte von Samen aus Saatgutbanken \u2013 vor allem dem belgischen Meise Botanic Garden und dem s\u00fcdfranz\u00f6sischen Conservatoire Botanique National M\u00e9diterran\u00e9en de Porquerolles \u2013 und setzten sie in einem Gew\u00e4chshaus an der Universit\u00e4t T\u00fcbingen in die Erde. Die Saatgutbanken-Samen waren 21 bis 38 Jahre alt und geh\u00f6rten zu mehrj\u00e4hrigen Pflanzen von Standorten in Mitteleuropa, den franz\u00f6sischen Alpen und dem s\u00fcdfranz\u00f6sischen Mittelmeerraum. Zu diesen \u00bbVergangenheitssamen\u00ab gesellten sich im Experiment die Samen der gleichen Art, nur eben solche aus der Gegenwart. Diese waren 2018 an den genau gleichen nat\u00fcrlichen Standorten der Pflanzen gesammelt worden. Beide, Vorfahren und Nachkommen, durchschritten nun die einzelnen Lebenszyklen von Keimung, Wachstum, Bl\u00fcte und Fruchtbildung. \u00bbDabei taten sich einige schwer\u00ab, berichtet Scheepens, der das Experiment mit seinem damaligen Doktoranden Robert Rauschkolb durchf\u00fchrte. Viele Pflanzen bl\u00fchten gar nicht oder erst im dritten Jahr, einige Samen produzierten nicht einmal gen\u00fcgend Keime. Aber am Ende lieferten immerhin 13\u202fArten verwertbare Ergebnisse: Vergangenheits- und Gegenwartspflanzen unterschieden sich in ihrem Erscheinungsbild messbar. Genau darum ging es in dem Experiment.<\/p>\n\n\n\n
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Pflanzen bl\u00fchen fr\u00fcher<\/h4>\n\n\n\n
Bei 5 der 13 untersuchten Arten bl\u00fchten die Pflanzen von heute deutlich zeitiger als die Pflanzen von gestern, darunter der Pfriemenbl\u00e4ttrige Wegerich Plantago subulata, der in mediterranen K\u00fcstengebieten auf felsigen B\u00f6den w\u00e4chst. Seine winzigen schwefelgelben Bl\u00fcten traten bei den Nachkommen deutlich fr\u00fcher hervor als bei den Vorfahren. \u00c4hnlich war es bei dem Gemeinen Wirbeldost Clinopodium vulgare, der magere kalkhaltige B\u00f6den in gem\u00e4\u00dfigten Zonen bevorzugt und rosarote bis dunkelrosafarbige Lippenbl\u00fcten ausbildet. Auch hier machten die Nachkommen geh\u00f6rig Tempo und waren viel fr\u00fcher dran als ihre Vorfahren. Als N\u00e4chstes wurde die klimatische Entwicklung an den Ursprungsstandorten der Popul\u00adationen analysiert. Ergebnis: Die Vorverschiebung der Bl\u00fctezeit stimmte mit der lokal zunehmenden Trockenheit \u00fcberein. Diese hatte die Pflanzen aus der Gegenwart zu Fr\u00fchbl\u00fchern gemacht. <\/p>\n\n\n\n
Scheepens erkl\u00e4rt den Mechanismus: \u00bbHier geht es um Darwins Evolutionslehre. Variation in Merkmalen der Pflanzen entsteht zuerst mal zuf\u00e4llig, und wenn Merkmalsauspr\u00e4gungen vererbt werden, k\u00f6nnen diejenigen Pflanzen sich st\u00e4rker durchsetzen, deren Merkmale besser zu einer ver\u00e4nderten Umwelt passen. Wird es trockener, \u00fcberleben nur die Pflanzen, die fr\u00fcher bl\u00fchen. Ihre Samen sind dann gereift, bevor die Trockenheit eine weitere pflanzliche Entwicklung unm\u00f6glich macht. So k\u00f6nnen sie weiter Nachkommen produzieren.\u00ab Einj\u00e4hrige Pflanzen haben f\u00fcr die Umstellung nur eine Saison Zeit, mehrj\u00e4hrige k\u00f6nnen sich auch mal ein schlechtes Jahr leisten. Ist die Ver\u00e4nderung genetisch verankert, wird die neue Eigenschaft an die n\u00e4chste Generation \u00fcbertragen. Die Nachkommen der Pflanze bl\u00fchen auch wieder fr\u00fcher \u2013 es fand evolutive Anpassung durch Selektion statt.<\/p>\n\n\n\n
Der experimentelle Ansatz, den Scheepens f\u00fcr seine Forschung w\u00e4hlt, nennt sich Resurrection Ecology. Eine passende \u00dcbersetzung f\u00fcr diese Disziplin gibt es nicht. \u00bbWiederbelebungs\u00f6kologie\u00ab w\u00e4re eher irref\u00fchrend, da es nicht wie beim \u00bbde-extinction\u00ab-Ansatz um ausgestorbene Arten wie etwa den Magenbr\u00fcterfrosch geht, die wieder neu gez\u00fcchtet werden sollen.<\/p>\n\n\n\n
Zusehen, wie Evolution passiert<\/h4>\n\n\n\n
Resurrection Ecology untersucht vielmehr Arten, die noch existieren: Tiere, Pilze, Bakterien oder eben Pflanzen. Sie zeigt, wie rasch sich Populationen evolution\u00e4r weiterentwickeln und wie gut oder schlecht sie sich anpassen. Der experimentelle Test geschieht dabei auf der Zeit\u00adebene: Man zieht Organismen, die in der Vergangenheit gesammelt wurden, zusammen mit frisch gesammelten Organismen vom gleichen Standort auf und untersucht sie auf Merkmalsunterschiede. Auf diese Weise, durch den Vergleich von Vergangenheit und Gegenwart, l\u00e4sst sich Evolution messen.<\/p>\n\n\n\n
Scheepens Gew\u00e4chshausexperiment hat dieses Ziel erreicht. \u00bbDas waren rasante evolutive Prozesse, die nicht einmal 40 Jahren brauchten\u00ab, so der Biologe. \u00bbWir konnten fast zuschauen, wie Evolution passiert.\u00ab Allerdings hatte die Sache einen Haken: In einem Gew\u00e4chshaus l\u00e4sst sich nicht experimentell nachweisen, ob evolutive Anpassung hinter den Merkmalsver\u00e4nderungen steckt. Das liegt an den \u00bbunnat\u00fcr\u00adlichen Bedingungen\u00ab: Die Pflanzen werden regelm\u00e4\u00dfig ged\u00fcngt und gew\u00e4ssert, was in der Natur nicht passiert. Auch ist das Licht im Gew\u00e4chshaus anders als an ihrem nat\u00fcrlichen Standort. Also l\u00e4sst sich nicht sagen, ob die Pflanze auf die Umweltver\u00e4nderungen reagiert hat oder ob zuf\u00e4llige Prozesse im Spiel waren, Mutationen zum Beispiel oder andere zuf\u00e4llige \u00c4nderungen der genetischen Ausstattung einer Pflanzenpopulation durch Einkreuzung neuer Genvarianten (Genfluss) oder dem zuf\u00e4lligen Verschwinden von Genvarianten (genetische Drift).<\/p>\n\n\n\n
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Anpassung oder Zufall?<\/h4>\n\n\n\n
Um diesen Punkt zu kl\u00e4ren, f\u00fchrte Scheepens von 2021 bis 2023 mit seinem Promotionsstudenten Pascal Karitter ein weiteres Experiment durch, diesmal im Freiland. An vier Standorten in zwei Regionen in Belgien wurden die 23 bis 26 Jahre alten Vorfahren und die Nachkommen von vier Wildkr\u00e4utern gemeinsam an deren Ursprungsstandort gepflanzt: die Bergminze Clinopodium vulgare, der L\u00f6wenzahn Leontodon hispidus, das S\u00fc\u00dfgras Melica ciliata und der Lein Linum tenuifolium. \u00bbIn ihrem urspr\u00fcnglichen Lebensraum wirken alle nat\u00fcrlichen Umwelteinfl\u00fcsse auf diese Arten ein, alles, womit sie vertraut sind. Da sehen wir dann, wie fit sie sind, die Pflanzen von gestern und die von heute. So k\u00f6nnen wir herausfinden, ob die Ver\u00e4nderungen durch Selektion zustande kamen und ob wir es tats\u00e4chlich mit evolutiver Anpassung zu tun haben.\u00ab<\/p>\n\n\n\n Die Forscher waren die ersten, die Resurrection Ecology und die Verpflanzung im Freiland am Ursprungsort solcherart kombinierten. Leider fielen die beiden Sommer 2022 und 2023 sehr hei\u00df und trocken aus, weswegen die Pflanzen von drei der vier untersuchten Arten noch vor der Bl\u00fcte starben. \u00bbH\u00e4tten sie gebl\u00fcht, h\u00e4tten wir messen k\u00f6nnen, ob die Nachfahren mehr Samen produzieren als die Vorfahren. Dann w\u00e4ren alle drei klassischen Aspekte der Fitness zusammengekommen: \u00dcberleben, Wachstum und Reproduktion. Aber experimentelle Forschung im Freiland ist eben alles andere als einfach.\u00ab Einige aufschlussreiche Ergebnisse gab es dennoch. Zum Beispiel beim Gewimperten Perlgras, Melica ciliata. Die Nachkommen dieser zierlichen S\u00fc\u00dfgrasart zeigten sich in der hei\u00dferen, trockeneren Gegenwart viel fitter als ihre Vorfahren: Sie wurden gr\u00f6\u00dfer und hatten mehr Bl\u00e4tter. Zudem lag ihre Sterblichkeitsrate niedriger.<\/p>\n\n\n\n Scheepens Schlussfolgerung: Diese h\u00f6here Fitness ist das Ergebnis evolutiver Anpassung durch Selektionsdruck. Daf\u00fcr sprechen mehrere Gr\u00fcnde. \u00bbEinmal sind die Unterschiede zwischen Vorfahren und Nachfahren statistisch signifikant. Es ist unwahrscheinlich, dass diese durch Zufall entstanden.\u00ab Hinzu kommt die Kombination der Ver\u00e4nderungen bei Melica ciliata: weniger Mortalit\u00e4t UND besseres Wachstum. \u00bbDamit haben wir zwei Pflanzenreaktionen aus sehr unterschiedlichen Lebensphasen der Pflanze, die beide das Muster h\u00f6herer Fitness aufweisen. Dies verleiht unserer Interpretation der evolutiven Anpassung \u00dcberzeugungskraft.\u00ab<\/p>\n\n\n\n Nicht zu vergessen: Mortalit\u00e4t an sich ist schon ein starker Indikator f\u00fcr Selektion, da es f\u00fcr die Pflanze ums \u00dcberleben geht. Auch bei Leontodon hispidus, dem der Pusteblume \u00e4hnelnden Steifhaarigen L\u00f6wenzahn, zeigte sich Interessantes. Die Samen der Nachkommen hatten eine h\u00f6here Keimrate als die der Vorfahren. \u00bbDieses Ergebnis ist jedoch in punkto Anpassung nicht einfach zu interpretieren\u00ab, sagt Scheepens. F\u00fcr Pflanzen k\u00f6nne es auch ein Vorteil sein, nur einen Teil der Samen keimen zu lassen. Radiert die n\u00e4chste Hitzewelle diese Keime komplett aus, hat die Population immer noch welche in Reserve.<\/p>\n\n\n\n Wie geht es weiter mit dem noch recht jungen Forschungsfeld? Resurrection Ecology wird zu einem festen Bestandteil des Werkzeugkastens von Evolutions\u00f6kologen, da ist sich Scheepens sicher. Er skizziert, welche Erkenntnisse der Ansatz bringt: \u00bbWenn sich eine Pflanzenpopulation bisher gut angepasst hat, dann wird sie es wahrscheinlich auch weiterhin k\u00f6nnen. Hat sich die Population dagegen schlecht angepasst, wird sie vielleicht nicht \u00fcberleben. Solche Aussagen k\u00f6nnen wir sogar f\u00fcr die ganze Art treffen\u202f\u2013 sofern mehrere, \u00f6rtlich voneinander getrennte Populationen die gleiche Unf\u00e4higkeit zur evolutiven Anpassung zeigen.\u00ab Dann ist klar: Diese Art ist auf Migration angewiesen. Sie muss sich zum Beispiel in k\u00fchlere Gebiete verbreiten, weil es am Ursprungsort zu hei\u00df geworden ist. Mit den Ergebnissen der Resurrection Ecology lassen sich bessere Vorhersagen machen, wie globale Ver\u00e4nderungen \u2013 der Klimawandel, aber auch Landnutzungs\u00e4nderungen oder der R\u00fcckgang der Best\u00e4uber \u2013 die Evolution von Organismen beeinflussen. \u00bbUnd zwar nicht nur, wie sie es tun k\u00f6nnten, was sich ja in Evolutions\u00adexperimenten simulieren l\u00e4sst, sondern wie sie es tats\u00e4chlich tun.\u00ab<\/p>\n\n\n\n Jedoch brauchen die vergleichenden Studien auch eine solide Grundlage, also Saatgutbanken, die gutes, verl\u00e4ssliches Material bereithalten. Am Forschungsstandort Europa sieht Scheepens erheblichen Verbesserungsbedarf. \u00bbIn den Saatgutbanken lagern meist nur Samen einer einzigen Population. So ist es unm\u00f6glich, Aussagen \u00fcber die Evolution und Anpassung einer bestimmten Art als Ganzes zu treffen. Wir k\u00f6nnen nur etwas \u00fcber die Evolution und Anpassung dieser einen Population sagen.\u00ab Zudem ist oft nicht bekannt, wie fr\u00fch oder sp\u00e4t in der Saison die Samen gesammelt wurden. An einem Standort k\u00f6nnen Pflanzen zu unterschiedlichen Zeiten bl\u00fchen, was Resurrection-Ecology-Studien ber\u00fccksichtigen m\u00fcssen. Und Saatgutbanken lagern die Samen auch nicht immer genau gleich, sodass Erscheinungsmerkmale unterschiedlich ausfallen k\u00f6nnen. Deswegen schl\u00e4gt Scheepens ein europ\u00e4isches Sammelprojekt vor, das sich am US-amerikanischen \u00bbProject Baseline\u00ab orientiert. In Colorado lagern in einem Gew\u00f6lbe Millionen Samen, an Hunderten Standorten anhand klarer Vorgaben gesammelt, bei minus 18\u2009Grad Celsius. Das Material ist f\u00fcr k\u00fcnftige Resurrection-Ecology-Studien gedacht, die kl\u00e4ren sollen, wie Pflanzen auf Klimawandel und andere Umweltprobleme reagieren. H\u00e4tten wir so etwas in Europa auch, so Scheepens, st\u00fcnde uns in Zukunft das beste biologische Material zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n\n\n\n Umwelt und Gene<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der Evolutions\u00f6kologe Niek Scheepens erforscht im Rahmen der Resurrection-Ecology-Studien auch Ver\u00e4nderungen im genetischen Code selbst. Hierzu untersucht Scheepens Einzelnukleotid-Polymorphismus-Marker (Single Nucleotid Polymorphism, SNP). SNP bezeichnet die Variationen einzelner Basenpaare in der DNA. Dabei haben die allermeisten SNPs keinen Effekt auf Merkmalsauspr\u00e4gungen, sie sind nur neutralen evolution\u00e4ren Prozessen unterworfen. Aus vielen SNPs l\u00e4sst sich der sogenannte FST-Wert bestimmen, der neutrale genotypische Unterschiede zwischen Populationen ausdr\u00fcckt. Analog dazu kann anhand der direkt an Pflanzen gemessenen Merkmalsauspr\u00e4gungen der QST-Wert, ein Ma\u00df f\u00fcr ph\u00e4notypische Unterschiede zwischen Populationen, berechnet werden. In Resurrection-Ecology-Studien werden diese zwei Werte in der zeitlichen Dimension miteinander verglichen. \u00bbIst der QST-Wert gr\u00f6\u00dfer oder kleiner als der FST-Wert, k\u00f6nnen wir herleiten, dass nat\u00fcrliche Selektion stattgefunden hat\u00ab, erkl\u00e4rt Scheepens. Ein gr\u00f6\u00dferer QST-Wert hei\u00dft: \u00bbdivergent selection\u00ab \u2013 die Merkmalswerte gehen auseinander. Ein kleinerer QST-Wert hei\u00dft: \u00bbstabilizing selection\u00ab \u2013 Merkmalsauspr\u00e4gungen werden trotz neutraler evolution\u00e4rer Prozesse beibehalten. Bei den Gew\u00e4chshauspflanzen wiesen zum Beispiel die Werte von \u00bbLeontondon hispidus\u00ab auf eine starke divergente Selektion hin. \u00bbDas st\u00fctzt unsere Hypothese: Die Population hat sich \u00fcber die Jahrzehnte hinweg immer wieder an das ver\u00e4nderte Klima angepasst.\u00ab Die Analyse der Werte aus dem Freiland\u00adexperiment folgt noch.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n Zur Person<\/strong><\/p>\n\n\n\n Seit 2020 ist der Evolutions\u00f6kologe Niek Scheepens als Professor an der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt t\u00e4tig, wo er die Abteilung Evolution\u00e4re \u00d6kologie der Pflanzen am Institut f\u00fcr \u00d6kologie, Evolution und Diversit\u00e4t leitet. Scheepens hat in Groningen, Niederlande, den Bachelor in Wissenschaftsphilosophie und den Master in Biologie gemacht. 2011 wurde er an der Universit\u00e4t Basel promoviert und arbeitete dort ein Jahr als Postdoc. Nach einem zweij\u00e4hrigen Forschungsaufenthalt an der Universit\u00e4t Turku in Finnland ging er 2014 als Alexander-von-Humboldt-Fellow an die Universit\u00e4t T\u00fcbingen, wo er 2017 bis 2020 Juniorgruppenleiter war.<\/p>\n\n\n\n scheepens@bio.uni-frankfurt.de<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n![\"\"](\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/IMG_5355_c_NiekScheepens_web-500x346.jpg\")
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