Hat die Steinnelke ein Rezept, um den Klimawandel zu überleben?

Das Klima erw?rmt sich immer schneller, besonders in den Alpen. Das fordert Organismen heraus. Wenn sie sich nicht in gr?ssere H?hen ausbreiten, m¨¹ssen sie sich an ihrem bisherigen Standort sehr rasch an h?here Temperaturen anpassen, oder ihre Populationen werden geschw?cht und sterben schliesslich aus. 

Ein Beispiel f¨¹r Klimaanpassung ist die Steinnelke (Dianthus sylvestris). Sie ist mehrj?hrig und in den Alpen weit verbreitet. Sie besiedelt H?henlagen zwischen 800 bis 2400 Metern. Obwohl sich Pflanzen aus der H?he und aus tiefen Lagen ?hneln, haben sich im Laufe der Zeit Unterschiede entwickelt. 

Ein zentrales Merkmal ist der Bl¨¹hzeitpunkt: In hohen Lagen bl¨¹hen Steinnelken unmittelbar nach der Schneeschmelze im Juni, in tiefen Lagen hingegen ab dem Monat Mai. Allerdings beginnt in tiefen Lagen die Wachstumsperiode schon viel fr¨¹her. Deshalb sind Tal-Steinnelken ¨C als Anpassung an die warmen Tieflandbedingungen - eher Sp?tz¨¹nder. 

Vor zehn Jahren begannen Simone Fior und weitere Forschende um Professor Alex Widmer vom Institut f¨¹r Integrative Biologie der ETH Z¨¹rich zu erforschen, wie sich die Steinnelke genetisch an vergangene Klimaver?nderungen angepasst hat und was dies f¨¹r ihre Reaktionen auf den aktuellen Klimawandel bedeuten kann. Die Studie wurde soeben in der Fachzeitschrift Science ver?ffentlicht. 

Fr¨¹h bl¨¹ht, wer Samen bilden will

F¨¹r ihre Studie untersuchten die Forschenden im Kanton Wallis je drei Steinnelken-Populationen aus Tal- und aus Berglagen. Weiter analysierten sie ein spezifisches Gen von 1000 Individuen aus dem gesamten Verbreitungsgebiet der Art. Zudem f¨¹hrten sie Verpflanzungsexperimente durch. 

?Steinnelken in alpinen Zonen bl¨¹hen nicht nur so fr¨¹h als m?glich, sondern bilden auch m?glichst rasch Samen?, erkl?rt Widmer. ?Das ist eine Anpassung an die kurze Saison in hohen Lagen. In Tallagen haben die Pflanzen dagegen mehr Zeit.?

Verpflanzten die Forschenden aber Steinnelken aus den T?lern in die Berge, ?nderte sich ihr Bl¨¹hverhalten nicht grundlegend. Sie liessen sich wie in tiefen Lagen mehr Zeit, bauten erst Pflanzenmasse auf und bildeten viele Bl¨¹ten. Auch f¨¹r die Samenproduktion brauchten diese Pflanzen mehr Zeit. Kam der Schnee am Ende des kurzen Bergsommers, waren die Samen nicht reif. 

Gesteuert wird dieses ?Verhalten? durch ein Gen, das die ETH-Forschenden erst im Rahmen der Studie entdeckten. Es bestimmt die Bl¨¹hzeitpunkte und das Wachstum der Steinnelke. Das Gen heisst DsCEN/2. Davon gibt es zwei Varianten, sogenannte Allele, die bei den beiden Populationen unterschiedlich sind. Tal-Steinnelken verf¨¹gen mehrheitlich ¨¹ber das ?warme? Allel, Berg-Steinnelken ¨¹ber das ?kalte? Allel. 

Die warme Variante verz?gert die Bl¨¹te und f?rdert das allgemeine Pflanzenwachstum, was in w?rmeren langen Sommern von Vorteil ist. Die kalte Variante reguliert hingegen das fr¨¹he Bl¨¹hen von Gebirgspflanzen. ?Die beiden Allele entscheiden ¨¹ber das ?berleben der Steinnelke in unterschiedlichen Klimazonen?, sagt Widmer. 

Lange vor dem Erscheinen der Steinnelke entwickelt

Mit Modellen zeigten die ETH-Forschenden auf, dass die beiden Allele sehr alt sind, ??lter als die Steinnelke selbst?, erkl?rt der Pflanzengenetiker. 

Um herauszufinden, wann die Allele in der Evolution der Dianthus-Arten aufgetreten sind, untersuchten die Wissenschaftler:innen deshalb auch Gene von weiteren Arten, die mit der Steinnelke verwandt sind. Diese Analysen zeigen: Selbst bei weit entfernt verwandten Arten sind wichtige Unterschiede zwischen den warmen und kalten Allelen bereits vorhanden. 

Die Forschenden schliessen daraus, dass die Genvarianten nicht durch Mutationen des Erbguts in der Steinnelke selbst entstanden sind, sondern in anderen Arten der Gattung Dianthus. Diese Nelken durchliefen vor ein bis zwei Millionen Jahren eine sogenannte Radiation: eine rapide Auff?cherung einer Stammart in zahlreiche neue Arten. 

In dieser Zeit wechselten sich Eiszeiten und Warmzeiten ¨¹ber Jahrtausende hinweg ab. W?hrend sich die verschiedenen Dianthus-Arten herausbildeten, entstanden auch die beiden Allele als Anpassung an das sich st?ndig ?ndernde Klima.

Durch verschiedene Mechanismen, mit denen genetisches Material verteilt, neu organisiert und neu kombiniert wird, gelangten die beiden Allele schliesslich in die genetische Ausstattung der Steinnelke ¨C und erwiesen sich auch f¨¹r diese Art als Vorteil. 

Durch die Rekombination w?hrend der sexuellen Fortpflanzung wird die bereits vorhandene Variation neu organisiert. Dadurch sind die warmen und kalten Allele entstanden und haben es der Steinnelke erm?glicht, sich schneller genetisch an neue Umweltbedingungen anzupassen als nur durch neue Mutationen. Dieser Prozess d¨¹rfte insbesondere bei einer schnellen Radiation in viele neuen Arten, wie bei den Dianthus-Arten, von Bedeutung sein. Solche evolutiv neue Kombinationen von alten Genvarianten bieten eine breite Basis f¨¹r Anpassungen an viele verschiedene ?kologische Bedingungen. 

Zwar kommen bei den Steinnelken ¨¹ber die Zeit Mutationen hinzu, aber die beiden Allele, welche die Bl¨¹hzeitpunkt bestimmen, sind seit mehreren 100'000 Jahren vorhanden. 

Zuk¨¹nftige Klimaanpassung ist m?glich

Die beiden Genvarianten d¨¹rften in der Zukunft einen Teil der Reaktion der Steinnelke auf die Klimaerw?rmung mitbestimmen: Das ?warme? Allel ist bereits jetzt in Populationen in h?heren Lagen vorhanden, wie die Forschenden zeigten. Bei weiter steigenden Temperaturen k?nnte sich diese Genvariante dort weiter ausbreiten und k¨¹nftig vorherrschen. 

?Die Steinnelke hat aus der Vergangenheit das R¨¹stzeug, um sich an den aktuellen Klimawandel anzupassen. Ob andere Alpenpflanzen ebenfalls diese F?higkeit haben, wissen wir nicht. Dazu gibt es keine anderen Studien, die sich derart vertieft mit diesen Fragen befassen?, betont Widmer.

Er betont jedoch, dass keine Warmphase der Vergangenheit ein solches Tempo hatte wie die derzeitige. Ob sich die Steinnelken (und andere Alpenpflanzen) rasch genug darauf einstellen k?nnen, ist daher eine offene Frage und muss k¨¹nftig erforscht werden. 

 ?Nur wenn es gen¨¹gend grosse zusammenh?ngende Populationen gibt, k?nnen die Arten das vorhandene genetische Potenzial nutzen, das die Anpassung an den Klimawandel erm?glicht?, sagt Widmer. Kleine, isolierte Populationen drohen hingegen schneller auszusterben.