Alpenwanderung mit Folgen: Forscher verifizieren fast 70 Jahre alte genetische Hypothese

Neues aus der Forschung

Meldung vom 09.01.2019

An einer Orchideen-Population in Südtirol belegen Forscher der Universitäten Hohenheim, Zürich und Wien die Überdominanz-Hypothese / Publikation in Nature Communications


190110-1911_medium.jpg
 
Die drei Farbvarianten des Schwarzen Kohlröschens (Gymnadenia bzw. Nigritella rhellicani)
Roman T. Kellenberger, Kelsey J.R.P. Byers, Rita M. De Brito Francisco, Yannick M. Staedler, Amy M. LaFountain, Jürg Schönenberger, Florian P. Schiestl, Philipp M. Schlüter
Emergence of a floral colour polymorphism by pollinator-mediated overdominance
Nature Communications
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07936-x


Mischerbige Pflanzen sind fitter als reinerbige – und ihnen daher überlegen. Mit dieser Hypothese der sogenannten Überdominanz wird seit 1951 das Vorkommen verschiedener Erscheinungsformen in einer Population erklärt. Doch einen klaren Beleg für diesen Mechanismus konnte bisher noch niemand erbringen. Erst jetzt ist es einem Forschungsteam der Universitäten Hohenheim, Zürich, Wien und Cambridge gelungen, die These zu bestätigen. Das Forschungsobjekt: Das Schwarze Kohlröschen, eine schöne, wohlriechende Alpenorchidee. Auf der Seiser Alm in Südtirol ist sie nicht nur in ihrer dunklen Variante zu finden – und hat damit die Neugier der Forscher geweckt. Ihre Erkenntnisse haben sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Es begann als Wanderung und endet als Forschungsprojekt: Als der Botaniker Dr. Roman Kellenberger in Südtirol unterwegs war, stach ihm etwas Außergewöhnliches ins Auge. Das Schwarze Kohlröschen (Gymnadenia bzw. Nigritella rhellicani) ist hier weit verbreitet – doch die eigentlich dunkle, duftende Alpenorchidee zeigt sich auf der Seiser Alm in drei verschiedenen Farbausprägungen. Nur 62 Prozent der Pflanzen weisen den fast schwarzen Wildtyp auf, 28 Prozent sind rot und 10 Prozent weiß.

„Diese Zahlen sind zu hoch, um einfach nur spontane Mutationen zu sein. Es gibt zwar immer mal vereinzelt Exemplare in anderen Farben, aber Sie verschwinden wieder, wenn sie keinen Selektionsvorteil haben“, erklärt Dr. Kellenberger, damals noch Doktorand an der Universität Zürich und mittlerweile an der Universität Cambridge tätig. Er besprach sich mit seinem Fachbetreuer Prof. Dr. Philipp Schlüter, der heute das Fachgebiet Biochemie des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels an der Universität Hohenheim leitet.

Fit durch Mischerbigkeit

Der Verdacht der beiden Forscher: Es könnte sich um einen sogenannten Polymorphismus („Vielgestaltigkeit“) durch Überdominanz handeln – eine Hypothese, die im Jahr 1951 erstmals von Theodosius Dobzhansky aufgestellt wurde und die ein grundlegendes Konzept in der Evolutionsbiologie darstellt.

Doch einen überzeugenden Beleg für eine echte Überdominanz zum Erhalt von Polymorphismus in einer natürlichen Population gab es bisher noch nicht. Prof. Dr. Schlüter erklärt den genetischen Hintergrund: „Überdominanz bedeutet, dass die Fitness mischerbiger Nachkommen höher ist als bei beiden reinerbigen Eltern.“



Bestäuber bevorzugen rote Blüten…

Um dem Phänomen auf die Spur zu kommen, war zunächst Recherche nötig: „Der Farbpolymorphismus beim Schwarzen Kohlröschen existiert seit mindestens 100 Jahren“, berichtet Prof. Dr. Schlüter. „Denn erstmals erwähnt wurde er im Jahr 1906.“ Aufzeichnungen zufolge sei von 1997 bis 2016 der Anteil der roten und weißen Exemplare von zusammen unter 5 Prozent auf rund 40 Prozent gestiegen – ein Hinweis darauf, dass die neuen Varianten, bzw. vor allem die rote Variante, der schwarzen überlegen sind.

Grund dafür sehen die Forscher in den Bestäubern der Pflanze: „Auf der Seiser Alm sind Bienen und Fliegen die wichtigsten Bestäuber des Schwarzen Kohlröschens“, erklärt Prof. Dr. Schlüter. „Die beiden werden jedoch von unterschiedlichen Farben angezogen: Bienen bevorzugen die dunklen Blüten, Fliegen die weißen, und die roten werden von beiden Bestäubern aufgesucht.“ Mit der Folge, dass die rote Farbvariante die höchste Anzahl an Samen trägt und sich dadurch am stärksten vermehrt.

…und rote Blüten sind mischerbig

Nähere Untersuchungen in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jürg Schönenberger am Department für Botanik und Biodiversitätsforschung der Universität Wien ergaben schließlich, dass die Pflanzen tatsächlich nur in einem Merkmal variieren – lediglich eine Klasse von Farbpigmenten unterscheidet sich. Die Forscher führten genetische Untersuchungen durch, korrelierten die Ergebnisse mit dem Erscheinungsbild der Pflanzen – und konnten tatsächlich ein Gen als Verursacher ermitteln.

„Es ist aber keine Mutation im Gen, das direkt für die Produktion der Farbpigmente verantwortlich ist“, betont Prof. Dr. Schlüter, „dieses Gen wird gewissermaßen nur ein- oder ausgeschaltet.“ Das regelt ein sogenannter Transkriptionsfaktor, der nun die kausale Mutation aufweist. „Bei der Vererbung erhalten die Nachkommen je eine Kopie des mütterlichen und des väterlichen Erbguts. Funktioniert der Transkriptionsfaktor bei beiden Kopien, entsteht der schwarze Wildtyp. Ganz ohne ihn wird die Blüte weiß, und bei mischerbigen Pflanzen mit einem funktionierenden und einem nicht funktionierenden Transkriptionsfaktor gibt es die rote Blüte.“

Überdominanz erklärt Farbvarianten in der Population

Die beiden reinerbigen Varianten haben also keinen Fitness-Nachteil, die mischerbige jedoch weist mit ihrer größeren Samenanzahl eine höhere Fitness auf. „Das alles zeigt uns, dass Überdominanz tatsächlich in der Natur auftritt und eine Erklärung für Polymorphismus in einer Population darstellt“, fasst Prof. Dr. Schlüter zusammen.

Die „Alpenvanille“, wie das Schwarze Kohlröschen wegen seines Duftes auch genannt wird, stellt daher auch aus Forschungssicht eine außergewöhnliche Pflanze dar. „Die Population auf der Seiser Alm ist einzigartig“, hebt Prof. Dr. Schlüter hervor. Die Orchideen überleben besonders gut auf mageren Wiesen. Der Experte mahnt daher: „Auch künftig sollten ihre Lebensräume erhalten bleiben – und nicht zuletzt auch die Bestäuber geschützt werden.“




Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 7 Tage

www.biologie-seite.de 17 Meldungen

Meldung vom 18.06.2019

Wer über den Klimawandel redet, muss auch über Mikroben reden

Nicht nur generell in der dynamischen Erdgeschichte sondern gerade auch beim menschengemachten Klimawandel spi ...

Meldung vom 18.06.2019

Was dem Ohr verborgen bleibt: Rekorder-Einsatz beim Tierarten-Monitoring

Lange haben sich Ökologinnen und Ökologen auf ihre Sinne verlassen, wenn es darum ging, Tierpopulationen und ...

Meldung vom 17.06.2019

Zellbiologie - Qualitätskontrolle für Mitochondrien

Verklumpte Proteine schädigen die Mitochondrien und legen damit die Energieversorgung der Zelle lahm. LMU-For ...

Meldung vom 17.06.2019

Neue Weizensorten bewähren sich auch unter widrigen Anbaubedingungen

JKI beteiligt an umfassendem Sortenversuch zum Züchtungsfortschritt im westeuropäischem Weizensortiment, der ...

Meldung vom 17.06.2019

Mit dem Milbentaxi zum Nachbarwirt: Honigbienen-Parasit Varroa-Milbe wird auch Wildbienen gefährlich

Ein Forscherteam um die Ulmer Professorin Lena Wilfert hat herausgefunden, dass ein wichtiger Parasit der Honi ...

Meldung vom 17.06.2019

Luchse in der Türkei: Nicht-invasive Probensammlung liefert wichtige Erkenntnisse zu genetischer Vielfalt und Verhalten

Über den Kaukasischen Luchs (Lynx lynx dinniki) ist sehr wenig bekannt. Es ist eine Unterart des Eurasischen ...

Meldung vom 17.06.2019

Spülsystem im Magen schont die Zähne der Wiederkäuer

Ziegen, Schafe und Kühe nehmen mit dem Fressen oft zahnschädigende Erdpartikel auf. Wie sich die Tiere vor z ...

Meldung vom 17.06.2019

Wichtiger Schritt der Evolution entdeckt: Körperwärme ohne Muskelzittern

Die eigene Körpertemperatur unabhängig von der Außentemperatur regulieren zu können, war ein wichtiger Sch ...

Meldung vom 14.06.2019

Am Anfang des Lebens - Der direkte Weg

Das Erbmolekül DNA ist womöglich viel früher entstanden als bislang angenommen. Chemiker um Oliver Trapp ze ...

Meldung vom 14.06.2019

Signale aus der Pflanzenzelle

Zwei Wissenslücken sind geschlossen: Die Vakuolen von Pflanzenzellen lassen sich elektrisch erregen, und der ...

Meldung vom 12.06.2019

Hörkortex verarbeitet nicht nur Töne

Wie wir im Straßenverkehr auf das Hupen eines Autos reagieren sollten, hängt von der Situation ab, in der wi ...

Meldung vom 12.06.2019

„Die Ära des Menschen und seiner Zivilisation“

Team von Wissenschaftshistorikern der Friedrich-Schiller-Universität Jena spürt den Ideengeber für die Beze ...

Meldung vom 12.06.2019

Greifen und Zugreifen – wie das Lernen feinmotorischer Bewegungen das Gehirn verändert

Trainieren wir das Greifen und Ergreifen von Gegenständen, so trainieren wir unser Gehirn. Genaugenommen ver ...

Meldung vom 12.06.2019

Vogelgehirne synchronisieren sich beim Duettgesang

Bei den Mahaliwebern beginnt das Männchen oder das Weibchen mit seinem Gesang und der Partner setzt zu einem ...

Meldung vom 11.06.2019

Bienenwolf bekämpft Schimmel mit Gas

Regensburger Biologen entdecken in Zusammenarbeit mit Mainzer und Jenaer Wissenschaftlern, dass die Eier der W ...

Meldung vom 11.06.2019

Tropische Zecken: Neu eingewanderte Art überwintert erstmals in Deutschland

Tropische Hyalomma-Zecke wieder in Deutschland gesichtet / Team der Uni Hohenheim und des Instituts für Mikro ...

Meldung vom 07.06.2019

Auf der Suche nach Stickstoff – Wie Brassinosteroide Wurzeln bei Stickstoffmangel wachsen lassen

Bis vor Kurzem war die „Foraging Reaktion“ die am wenigsten verstandene Anpassung von Wurzeln an den Stick ...


21.05.2019
Namenlose Fliegen
03.05.2019
Eine Frage der Zeit
24.04.2019
Kraftwerk ohne DNA

06.03.2019
Bindung mit Folgen
16.01.2019
Plötzlich gealtert

19.12.2018
Baum der Schrecken
07.11.2018
Plastik im Fisch
28.09.2018
Gestresste Pflanzen

13.08.2018
Wie Vögel lernen

15.06.2018
Primaten in Gefahr
24.05.2018
Störche im Aufwind
10.01.2019
Kenne Deinen Fisch!
10.01.2019
Leben ohne Altern
10.01.2019
Lebensraum Käse
10.01.2019
Domino im Urwald
10.01.2019
Trend-Hobby Imker
10.01.2019
Wie Bienen riechen

Newsletter

Neues aus der Forschung