Altbewährt oder neu mutiert – wie Pflanzen ihren Weg finden
Stell dir folgendes Szenario vor:
Du bist eine Pflanze. Du wächst irgendwo an einem Platz in der Sonne, hast deine Wurzeln tief im Boden und betreibst Photosynthese – alles läuft wie gewohnt. Doch plötzlich passiert etwas: Ein klitzekleiner Fehler beim Kopieren deiner Erbinformationen – eine Mutation! Jetzt hast du von jetzt auf gleich eine neue Eigenschaft. Vielleicht wächst du ein bisschen schneller? Vielleicht wächst du aber auch langsamer oder hörst komplett auf zu wachsen? Oder etwas ganz anderes passiert: Im Glücksfall erlangst du die Fähigkeit dich gegen eine Krankheit zu wehren. Wenn du aber Pech hast, könnte es aber auch sein, dass du genau diese Fähigkeit verlierst. Also, was nun?
Mutationen – wenn sich die Baupläne ändern
Mutationen sind spontane Veränderungen in der DNA – dem genetischen Bauplan jedes Lebewesens. Sie entstehen zum Beispiel durch Fehler bei der Zellteilung oder durch äußere Einflüsse wie UV-Strahlung. In der Pflanzenwelt können Mutationen vieles bewirken: Eine Tomate wird größer, ein Gras verträgt plötzlich Salz, eine Blüte leuchtet in neuer Farbe.
Solche Veränderungen passieren ständig – sind jedoch weder grundsätzlich gut noch grundsätzlich schlecht. Manche sind harmlos, manche schädlich, und einige bringen einen Vorteil und sind genau das, was eine Pflanze braucht, um besser zu überleben.
Selektion – wenn die Umwelt mitentscheidet
Doch was bleibt und was verschwindet? Das entscheidet die natürliche Selektion. Sie wirkt in etwa, wie ein Filter: Eigenschaften, die unter den aktuellen Umweltbedingungen (z.B. Temperatur, Wasserverfügbarkeit, Bodenbeschaffenheit, Lichtverhältnisse, Pathogene & Schädlinge, Konkurrenz mit anderen Pflanzen usw.) nützlich sind, setzen sich durch. Alles andere wird im Laufe der Generationen aussortiert.
Es gibt dabei verschiedene Arten von Selektion:
Positive Selektion: Eine neue Mutation verschafft der Pflanze einen Vorteil. Diese Pflanze lebt und vermehrt sich mehr, sodass die Häufigkeit dieser Mutation zunimmt.
Beispiel: Durch eine Mutation hat eine Pflanze eine bessere Trockenresistenz oder mehr Schutz gegen Parasiten. In einer Trockenperiode oder bei einem Befall von diesen Parasiten leiden alle anderen Pflanzen, die diese Mutation nicht haben – möglicherweise gehen auch einige Pflanzen ein. Die Pflanze mit der Mutation hingegen überlebt diese Umstände besser.
Stabilisierende Selektion: Das Altbewährte bleibt. Veränderungen bringen hier keinen Vorteil – im Gegenteil, sie können möglicherweise schaden. Die Mutation wird aussortiert.
Beispiel: Durch eine Mutation trägt eine Pflanze viel mehr Früchte als die anderen Pflanzen. Dadurch benötigt sie aber auch viel mehr Wasser und andere Nährstoffe, um zu überleben. Auch die Zweige könnten nicht stark genug sein, um so viel Gewicht zu tragen. Dadurch, dass diese Mutation der Pflanze selbst keinen wirklichen Nutzen bringt, wird diese Mutation von ihr aussortiert.
Disruptive Selektion: Extreme Ausprägungen einer Eigenschaft setzen sich durch, die Mitte verschwindet komplett. Dies geschieht zum Beispiel, wenn die natürliche Auslese alternative oder auch komplett außergewöhnliche Phänotypen begünstigt - entweder durch ihre Anpassung an schwankende Umweltbedingungen oder zeitliche Veränderungen.
Beispiel aus der Tierwelt: Der Birkenspanner hat zwei Erscheinungsformen bzw. Varianten – eine schwarze Form und eine weiße Form. Die weiße Form ist auf Bäumen mit heller Rinde oder mit Flechten bewachsener Rinde gut getarnt. Aufgrund der Luftverschmutzung litten die Flechten, und die weißen Falter waren auf Bäumen in stark verschmutzten Gebieten nicht mehr so gut getarnt. Die schwarzen Birkenspanner hingegen konnten sich auf den Bäumen in den verschmutzten Gebieten viel besser vor Fressfeinden verstecken. Je nach Umgebung wird eine Morphe gegenüber der anderen bevorzugt. Daher gibt es auch heute noch zwei Farbformen des Birkenspanners - hell und dunkel, aber nichts dazwischen.
Evolution ist kein Plan – sondern ein Prozess
Während einige Mutationen der Pflanze signifikant helfen, sich an neue Herausforderungen anzupassen, sind andere einfach nur Zufälle, die keinerlei Effekte haben. Manchmal ist es sogar besser, wenn sich schlicht weg nichts ändert und die ursprünglichen Gene und Funktionen so beibehalten werden, wie sie sind.
Evolution ist kein zielgerichteter Prozess und es gibt auch keinen vorgeschriebenen Plan. Es ist ein Mix aus Zufall, Umweltbedingungen und dem, was sich durchsetzt.
In meiner Arbeit möchte ich genau diesen Mix und die genetischen Mutationen, die sich im Laufe der Evolution ergeben und durchgesetzt haben, untersuchen. Diese Arbeiten führe ich an Resistenzgenen der Wildtomate (Solanum pennellii) durch – der sogenannten Urform der Tomate, die heutzutage als Grundnahrungsmittel dient. Wichtige Fragen hierbei sind mitunter, a) wie stark der Selektionsdruck war (und immer noch ist), b) die geografische Verteilung der natürlichen Variation bei diesen Genen und c) welche Gene eine starke konservierende gegenüber einer starken diversifizierenden Selektion aufweisen.
Am Ende geht es darum, zu verstehen, wann das genetische "Upgrade" einer Pflanze wirklich nützlich war – und wann sie lieber auf das Altbewährte gesetzt hat, ganz nach dem Motto: "Never change a winning gene!“
Planter’s Punch
Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS-Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc-Programms erstellt.
Über die Autorin
Laura Randarevitch ist Doktorandin im Institut der Populationsgenetik an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf. An dieser Universität begann sie zunächst Biologie zu studieren und wählte dann den Studiengang der Quantitativen Biologie. Im Jahr 2021 wurde sie Teil der Graduiertenschule von CEPLAS. In ihrem jetzigen Projekt beschäftigt sie sich mit der Evolution von Resistenzgenen in Solanum pennelli, einer aus den Anden stammenden Wildtomate.