Eine internationale Gruppe von Forscher:innen hat herausgefunden, dass die als Plastizität bezeichnete Fähigkeit bestimmter Pflanzen, sich durch Veränderung ihrer Physiologie an zukünftige Umweltherausforderungen anzupassen, die zukünftige Evolution in einer Weise unterstützt, die immer von den spezifischen Herausforderungen abhängt, denen sich die Arten bei der Entwicklung ihrer spezialisierten Ökologie stellen müssen. Das Team verglich die Art Arabidopsis thaliana mit zwei ihrer nahen Verwandten, A. lyrata und A. halleri, vor und während der Exposition durch schweren Trockenstress.

Nach einem Ansatz, der im Labor von Professorin Dr. Juliette de Meaux an der Universität zu Köln entwickelt wurde, charakterisierten die Wissenschaftler die Plastizität und Evolution der Expression von zehntausenden von Genen. Diese große Menge an Beobachtungen bot der Gruppe die einzigartige Möglichkeit, die Regeln zu untersuchen, die die Evolution der Plastizität in diesem System steuern. Die Autor:innen konnten die Anzahl der Mutationen ermitteln, die sich in den Abstammungslinien von A. lyrata und A. halleri entwickelten, um die Plastizität der Genexpression zu erhöhen oder zu verringern. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich diese Rate zwischen den Arten ändert. In der trockenheitstoleranten Art A. lyrata entdecken sie viel mehr Mutationen, die die Evolution einer stärkeren plastischen Reaktion fördern, als in ihrer Schwesterart A. halleri, die mehr Schwierigkeiten hat, den Stress zu überleben. Die Studie wurde durch das ERC-Projekt Adaptoscope Grant 648617 sowie durch das Programm CRC 680 der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Plastizität ist die Fähigkeit aller lebenden Organismen, ihre Physiologie oder sogar ihre Entwicklung als Reaktion auf die Umwelt zu verändern. Plastizität kann sehr wichtig für das Überleben von Organismen sein, die ungünstigen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, wie z. B. der Einwirkung von starker Trockenheit oder Kälte. Plastizität stellt das Potenzial dar, einen Organismus zu schaffen, der in der Lage ist, sich den Herausforderungen einer anderen Umwelt zu stellen. Wenn die Evolution dieses Potenzial ausschöpfen und Plastizität als Sprungbrett nutzen kann, können sich neue und fittere Organismen schneller entwickeln und die Anpassung an neue Umgebungen kann schneller erfolgen. 

Die Studie „Cis-regulatory evolution spotlights species differences in the adaptive potential of gene expression plasticity“ von Dr. Kim Steige und Dr. Fei He, die mit Beteiligung der Labore von Professorin Dr.Juliette de Meaux vom Institut für Pflanzenwissenschaften und CEPLAS, dem Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften, Professor Dr. Andreas Beyer vom Institut für Genetik und dem Exzellenzcluster für Alternsforschung CECAD und Professor Dr. Peter Keightley von der Universität Edinburgh ist jetzt in Nature Communications erschienen.

Die Sichtweise, dass Plastizität ein Sprungbrett für die Entwicklung neuer Fähigkeiten sein könnte, hat Wurzeln in der Evolutionsbiologie. Wie oft dies geschieht, ist jedoch umstritten geblieben. Nicht jeder glaubt, dass Plastizität hilfreich sei. In der Tat wurde argumentiert, dass Plastizität nur in einer sehr engen Gruppe von Bedingungen vorteilhaft ist und in den meisten neuen Umgebungen nachteilig sein wird. Wenn sie nachteilig ist, wird erwartet, dass die Plastizität während der Anpassung überwiegend verloren geht.

Die Wissenschaftler:innen präsentieren Daten, die es erstmals erlauben, zu bewerten, ob Plastizität die Anpassung in komplexen mehrzelligen Organismen unterstützt. Dazu verglichen sie die bekannte Modellpflanzenart Arabidopsis thaliana mit zwei ihrer nahen Verwandten: A. lyrata und A. halleri, vor und während der Exposition gegenüber schwerem Trockenstress. Mit Hilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierungsstrategien an diesen Arten, die sich in ihrer Reaktion auf den Stress unterscheiden, charakterisierten sie die Plastizität und Evolution der Expression von Zehntausenden von Genen. Dieser große Satz an Beobachtungen bot der Gruppe die einzigartige Möglichkeit, die Regeln zu untersuchen, die die Evolution der Plastizität in diesem System bestimmen. Ihre Daten zeigen, dass die Evolution der Genexpression eng mit der bereits vorhandenen Plastizität verbunden ist. Mit einem in ihrem Experiment implementierten Ansatz, der im Labor von de Meaux entwickelt wurde, konnten die Autoren die Anzahl der Mutationen ermitteln, die sich in den Nachkommen von A. lyrata und A. halleri entwickelt haben, um die Plastizität der Genexpression zu erhöhen oder zu verringern. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich diese Rate zwischen den Arten ändert. In der trockenheitstoleranten Art A. lyrata entdeckten sie viel mehr Mutationen, die die Evolution einer stärkeren plastischen Reaktion fördern, als in ihrer Schwesterart A. halleri, die mehr Schwierigkeiten hat, den Stress zu überleben. Mit Hilfe eines populationsgenetischen Ansatzes beobachteten sie, dass neue Aminosäurevarianten in diesen Genen in A. lyrata in geringerer Häufigkeit erhalten bleiben als in A. thaliana, was bestätigt, dass die Gene, die in dieser Art eine stärkere Plastizität entwickelt haben, tatsächlich einer stärkeren Selektion ausgesetzt sind.

„Diese Arbeit dokumentiert die dynamische Evolution von Plastizität in komplexen Organismen, die mit Umweltveränderungen konfrontiert sind“, erklärt Professorin de Meaux. “Sie zeigt aber auch, dass ihre Rolle als Unterstützung für zukünftige Anpassungen nicht vordefiniert ist, sondern immer von den spezifischen Herausforderungen abhängt, denen sich die Arten bei der Entwicklung ihrer spezialisierten Ökologie stellen müssen. Dieser erste Atlas der Evolution der Genexpressionsreaktion auf Stress bei Pflanzen wird hoffentlich auch eine wertvolle Ressource sein, die bei der Entwicklung von trockenheitstoleranten Pflanzen am Exzellenzcluster CEPLAS hilft.“

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Zur Publikation:
https://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-23558-2