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Rasante Evolution eines Pflanzenschädlings rekonstruiert

24.07.2012
Neue Schädlingsarten können durch natürliche Hybridbildung innerhalb weniger Jahrhunderte entstehen. Dies zeigt die Genomanalyse eines iranischen Schlauchpilzes, der nah verwandt ist mit einem bedeutenden Weizenschädling. Der globalisierte Agrarhandel könnte diese rasante Form der Evolution von Schädlingen begünstigen.
Der im Iran beheimatete Schlauchpilz Zymoseptoria pseudotritici ist eine der jüngsten bisher genetisch untersuchten Arten. Er entstand erst vor etwa 200 Jahren durch die Fusion zweier unbekannter haploider Elternarten. Dies haben Forscher bei der Analyse der Genome von fünf Individuen dieses Pilzes herausgefunden. Z. pseudotritici befällt Gräser und ist nah verwandt mit dem weltweit verbreiteten Weizenschädling Zymoseptoria tritici. Dieser löst die sogenannte Blattdürre aus und verursacht Ernteeinbußen von bis zu 50%.

Im Zeitmaßstab der Evolution war die Entwicklung des iranischen Schlauchpilzes rasant. Bei natürlich vorkommenden Hybriden liegt die initiale Vermischung der Genome meist so weit zurück, dass sich im Erbgut kaum noch Spuren finden. Daher ist bisher wenig darüber bekannt, was sich auf der Ebene der Gene bei der Fusion zweier Arten abspielt. Z.pseudotritici liefert hier neue Erkenntnisse.

Ungewöhnliche Muster genetischer Variation

Im Erbgut der iranischen Pilze fanden die Wissenschaftler viele lange DNA-Abschnitte, die bei allen untersuchten Individuen identisch waren. Dazwischen befanden sich regelmäßig lange Segmente mit hoher Variabilität. Diese variablen Abschnitte ließen sich immer einer von zwei sogenannten Haplogruppen zuordnen. Ein Individuum wies also entweder den einen oder den anderen Typ auf. Innerhalb der Hablogruppen waren die variablen Sequenzen identisch.

Für die Wissenschaftler ist dies ein klares Zeichen für eine natürliche Hybridisierung: Die Art entstand durch die Fusion zweier haploider Elternarten. In den variablen Genabschnitten hat sich offenbar bis heute das Erbgut beider Eltern innerhalb der Population erhalten. Während in den identischen Bereichen jeweils nur die Erbinformation eines Elternteils übrig blieb.

Der globalisierte Agrarhandel könnte die rasante Entwicklung neuer Schädlingsarten fördern (Quelle: © Rainer Sturm / pixelio.de).

Verlorene Vielfalt

In mehr als der Hälfte der Erbinformation der untersuchten Pilze (54%) fanden sich keinerlei genetische Variationen. Dies ist erstaunlich, unterscheidet sich das Genom damit doch deutlich von verwandten Zymoseptoria-Spezies und anderen Pilzarten. Aus den Ergebnissen zusätzlicher populationsgenetischer Modelle schließen die Forscher, dass die Pilzpopulation während ihrer Evolution relativ schnell etwa ein Drittel ihrer genetischen Varianz verloren haben muss.

Da der Verlust der Variation nicht zufällig über das Genom verstreut ist, sondern sich vor allem in den ähnlichen Genomsequenzen vollzog, schließen die Forscher eine natürliche Selektion als alleinige Ursache aus. Vielmehr scheint es in der frühen Genomentwicklung des Schlauchpilzes einen „genetischen Flaschenhals“ gegeben zu haben.

Besteht eine Population nur aus wenigen Individuen, ist das Spektrum der genetischen Variabilität innerhalb der Population begrenzt – und damit ihre Anpassungsfähigkeit an veränderte Umweltbedingungen („genetischer Flaschenhals“). Kurz nach der Hybridisierung waren die Erbinformationen beider Elternarten vermutlich gleich stark vertreten. Die Forscher nehmen an, dass es dann jedoch zu einem zufälligen Gendrift, einer gerichteten Selektion kam, durch die sich jeweils eine der elterlichen Allele bestimmter Gene durchgesetzt hat. Hierauf deutet eine negative Korrelation zwischen der durchschnittlichen Rekombinationsrate auf verschiedenen Chromosomen und der Häufigkeit und Länge der dortigen DNA-Sequenzen ohne Variation hin.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass der Verlust der Variation auf Chromosomen mit einer höheren Rekombinationsrate größer ist. Eine höhere Rekombinationsrate wirkt sich demnach auf die Länge der ein Allel flankierenden DNA-Sequenzen aus und begünstigt somit den Verlust an Variation. Denn die flankierenden Sequenzen werden durch Rekombination erodiert.

Je kürzer die Evolutionsgeschichte einer Art ist, desto länger sind die flankierenden DNA-Sequenzen um ein Allel. Die recht langen Sequenzen bei Z.pseudotritici deuten darauf hin, dass der Verlust der genetischen Variation zu einem relativ frühen Zeitpunkt der Genomentwicklung geschah.

Keine Rückkreuzung

Da es nur zwei verschiedene Haplogruppen gibt, ist anzunehmen, dass es keine Rückkreuzung zwischen der neuen Hybridart und den beiden Elternarten gab. Die gesamte heutige Population stammt demnach von zwei einzelnen Elternindividuen aus verschiedenen Arten ab, die sich nur einmal gekreuzt haben. Obwohl die hybriden Nachkommen und Individuen der Elternarten prinzipiell sexuell paarungsfähig gewesen sein müssen.

Evolutionsgeschichte rekonstruiert

Anhand der Länge und Verbreitung der variablen, nicht durch Rekombination veränderten DNA-Abschnitte konnten die Wissenschaftler den Zeitpunkt der Artbildung berechnen. Als Vergleich diente dabei eine zuvor erarbeitete Rekombinationskarte der Schwesternart Z. tritici. Die neue Hybridart entstand demnach vor zirka 380 Generationen. Geht man von einer für diese Pilze typischen Vermehrungsrate von mindestens einem Mal bis etwa drei Mal pro Jahr aus, hat die Artbildung vor etwa 200 Jahren stattgefunden.

Die Elternarten unterschieden sich in 3% ihrer Erbinformationen – dies zeigt der Vergleich der zwei Haplogruppen. Diese genetische Diversität erlaubt noch die Bildung lebensfähiger, reproduzierbarer Nachkommen. Die genomweiten Unterschiede zwischen den Eltern sind jedoch um das zwei- bis vierfache größer als die Variation innerhalb der anderen Zymoseptoria-Spezies. Dies deutet darauf hin, dass die beiden Elternarten sich über einen langen Zeitraum separat entwickelt haben.

Eltern weiterhin gesucht

Unklar bleibt die Identität der beiden Stammeltern des hybriden Schlauchpilzes. In ihrer Probensammlung aus dem Iran fanden die Wissenschaftler keine passenden Arten. Entweder bildete ihre Sammlung nicht das gesamte Spektrum der Schädlingsvielfalt ab oder aber die hybriden Nachkommen haben die Elternarten bereits verdrängt. Dies sei nicht unwahrscheinlich, glauben die Wissenschaftler. Denn gerade bei Pflanzen und Pilzen hätten neu entstandene „Mischlinge“ oftmals neue Eigenschaften, die eine Besiedlung anderer Lebensräume und Wirte möglich machen – oder auch Konkurrenzvorteile gegenüber bereits etablierten Arten bieten.

Regionale Anpassung an neue Wirte

Ein Vergleich mit dem Weizenschädling Z. tritici deutet darauf hin, dass der gemeinsame Vorfahre der Hybrid-Eltern jünger ist als die Spaltung von Z. pseudotritici und Z. tritici. Vor etwa 11.000 Jahren haben sich diese beiden Arten vermutlich im Zuge einer lokalen Anpassung differenziert. Zu einer Zeit, als in der fruchtbaren Region des Mittleren Orients die Landwirtschaft und die Domestizierung von Weizen aufkam. Während Z. pseudotritici eine Reihe sehr unterschiedlicher Grasarten befällt und in einem zirka 500 km langen Gürtel im Norden Irans zu finden ist. Spezialisierte sich Z. tritici auf Weizen und konnte sich mit seinem Wirt auf der ganze Welt ausbreiten.

Der iranische Schlauchpilz und seine weltweit verbreitete Schwesterart befallen mehrere Wirtspflanzen mit unterschiedlicher Virulenz, darunter auch das Deutsches Weidelgras (Lolium perenne) (Quelle: © Rasbak / wikipedia.de).

In Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass Z. pseudotritici und auch Z. tritici unterschiedliche Wirtsarten wie Weizen, Elymus repens und Lolium perenne infizieren können, sich dabei aber deutlich in ihrer Virulenz unterschieden. Hierzu impften sie die Wirtspflanzen mit Sporen der beiden Pilzarten. Derartige Unterschiede im Grad der Virulenz auf verschiedenen Wirtsarten könnte es nicht nur auf Artenebene, sondern auch auf der Ebene von Populationen geben. Sie könnten erklären, warum sich der iranische Schlauchpilz nicht mit seinen Elternarten zurückkreuzte, auch wenn beide Arten vielleicht im selben Lebensraum koexistierten. Vergleichende Genomanalysen und Virulenz-Assays könnten die Hindernisse für den Genfluss enthüllen, sobald die Elternarten bekannt sind.

Bedeutung rasanter Evolution

Der junge Hybrid Z. pseudotritici bietet ein einzigartiges Modell, um die Evolution eines Hybrid-Genoms in der frühen Entwicklungsphasen zu studieren. Die erfolgreiche Verbreitung des iranischen Schlaupilzes über ein großes geografisches Gebiet demonstriert das Potenzial der Hybridisierung für die Entstehung neue pathogener Arten.

Die Studie zeigt, dass sich durch Hybridbildung neue und auch für die Landwirtschaft bedeutsame Pilze äußerst schnell entwickeln und erfolgreich ausbreiten können. Der Welthandel mit Agrarprodukten könnte die rasante Evolution von Pflanzenschädlingen fördern, indem lokale Pilzarten, die zum Beispiel auf Weizen leben, mit eingeführten Spezies ungewollt zusammengebracht werden, sich dann kreuzen und neue Arten bilden.

Quelle:

Holtgrewe, E. et al. (2012): Fusion of two divergent fungal individuals led to the recent emergence of a unique widespread pathogen species. PNAS (18. Juni 2012), doi:10.1073/pnas.1201403109PNAS.

Holtgrewe, E. et al | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/journal/aktuelles/rasante-evolution-eines-pflanzenschaedlings-rekonstruiert?piwik_campaign=newsletter

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