Schnelle evolutionäre Anpassung an Schwermetall-verseuchte Böden in Pflanzenarten der Gattung Arabidopsis

KR 1967/16-2

Die Kolonisierung von anthropogen Schwermetall-belasteten Böden ist ein viel versprechendes Modell für Prozesse schneller evolutionärer Adaptation in Pflanzen. Unter der Gruppe der Schwesterarten von Arabidopsis thaliana hat nur A. halleri vielfach Populationen auf Böden etabliert, die hohe Konzentrationen von Schwermetallen der calaminen Gruppe, Zink (Zn), Cadmium (Cd) und Blei (Pb), enthalten. Interessanterweise findet man auf manchen dieser Böden nicht nur A. halleri, sondern auch Populationen der nahen Verwandten A. arenosa. An diesen Schwermetallstandorten legen sowohl intermediäre phänotypische Eigenschaften der Metallphysiologie beider Arten als auch das gelegentliche Auftreten von Pflanzen mit intermediärer Morphologie nahe, dass Hybridisierung stattfinden kann. Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der Bedeutung von Genfluss zwischen A. halleri und A. arenosa bei der Anpassung beider Arten an toxische Schwermetallböden im Vergleich zur Selektion innerhalb jeder dieser Arten alleine. In A. halleri beinhaltete die Anpassung an Schwermetallböden physiologisch lediglich die Evolution von „gesteigerte Schwermetall-Hypertoleranz“. A. halleri weist bereits Spezies-weit eine Hypertoleranz gegenüber den calaminen Schwermetallen auf als Folge der Hyperakkumulation, d.h. der Anreicherung außergewöhnlich hoher Konzentrationen von >3000 µg Zn g-1 und >100 µg Zn g-1 Trockenbiomasse in Blättern, selbst auf unbelasteten Böden. An kontaminierten Standorten beruht die gesteigerte Schwermetall-Hypertoleranz in A. halleri nachweislich auf einer Verminderung der Schwermetall-Hyperakkumulation. Im Gegensatz dazu verfolgt die Art A. arenosa wie fast alle anderen Pflanzen generell die Schwermetall-Exklusions-Strategie. Im Zentrum unserer Arbeiten stehen geographisch gruppierte Standorte von calaminen Schwermetallböden und unbelasteten Böden, wo A. halleri und A. arenosa gegenwärtig natürlich gemeinsam vorkommen. Diese werden vergleichend analysiert und zu unbelasteten Referenzstandorten in Bezug gesetzt, an denen jeweils nur eine der beiden Arten vorkommt. Introgression zwischen den Arten wird Genom-weit untersucht und die entsprechenden Haplotypen im Genom lokalisiert. Parallel wenden wir etablierte Genom-„Scan“-Ansätze an, um genomische Regionen unter Selektion zu identifizieren – in Fortsetzung der ersten Phase, in der wir diese zur Untersuchung der seltenen Kupfertoleranz in A. halleri angewendet haben. Um die phänotypischen Konsequenzen auf molekular Ebene zu bestimmen, führen wir in einer ausgewählten Gruppe von Populationen beider Arten vergleichende Genexpressionsanalysen durch. In morphologisch intermediären Pflanzenindividuen messen wir zur vorläufigen phänotypischen Charakterisierung Blatt- und Bodenzusammensetzung am natürlichen Standort. Wir bestimmen ihren Ploidiegrad im Vergleich zu den vermuteten Elternarten und weisen auf Sequenzebene die genomischen Beiträge von A. halleri und A. arenosa nach.

Publikationen

• Preite Veronica, Sailer Christian, Syllwasschy Lara, Bray Sian, Ahmadi Hassan, Krämer Ute and Yant Levi (2019) Convergent evolution in Arabidopsis halleri and Arabidopsis arenosa on calamine metalliferous soils. Phil. Trans. R. Soc. B, 374, DOI: 10.1098/rstb.2018.0243
  
  
• Krämer U (2018) Conceptualizing plant systems evolution. Curr Opin Plant Biol. 42: 66-75. DOI: 10.1016/j.pbi.2018.02.008
  
  
• Stein RJ, Höreth S, de Melo JR, Syllwasschy L, Lee G, Garbin ML, Clemens S, Krämer U (2016) Relationships between soil and leaf mineral composition are element-specific, environment-dependent and geographically structured in the emerging model Arabidopsis halleri. New Phytologist 213 (3), 1274-1286
  
  
• Suryawanshi V, Talke IN, Weber M, Eils R, Brors B, Clemens S, Krämer U (2016) Between-species differences in gene copy number are enriched among functions critical for adaptive evolution in Arabidopsis halleri. BMC Genomics 17 (Suppl 13):1034