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Vielfalt in der Monokultur

15.04.2015

Unterschiedliche Eigenschaften innerhalb einer Art sichern deren Überleben und verbessern die Gesamtproduktivität eines Ökosystems. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena konnten in Freilandexperimenten mit Pflanzen der wilden Tabakart Nicotiana attenuata nachweisen, dass es ausreicht, in einzelnen Pflanzen die Aktivität bestimmter Abwehrgene zu verändern, um die Population zu schützen und die Vielfalt im gesamten Ökosystem zu beeinflussen.

In der modernen, maschinengerechten Landwirtschaft überwiegen Monokulturen. Auf großen Flächen wird nur ein einziger Genotyp einer Nutzpflanzenart angebaut. Verwendet werden Züchtungen, die auf hohe Erträge optimiert sind und nicht selten nur noch wenige natürliche Pflanzenabwehrstoffe enthalten. Leider können großflächige Monokulturen mit identischen Pflanzen eine ökologische Wüste hinterlassen und das Ökosystem nachhaltig schädigen, insbesondere wenn flächendeckend Dünger und Pestizide verwendet werden müssen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena konnten in Freilandexperimenten mit Pflanzen der wilden Tabakart Nicotiana attenuata nachweisen, dass es ausreicht, in einzelnen Pflanzen die Aktivität bestimmter Abwehrgene zu verändern, um die Population zu schützen und die Vielfalt im gesamten Ökosystem zu beeinflussen. (eLife, April 2015)


Versuchsanordnung mit Populationen von Pflanzen, deren Abwehrgene unterschiedlich ausgeprägt waren.

Meredith Schuman / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie / eLife

Der Begriff Biodiversität wird im deutschen Sprachraum gern als Synonym für Artenvielfalt verwendet. Dies stimmt jedoch nicht ganz, denn außer der Vielfalt verschiedener Pflanzen- und Tierarten schließt der Begriff auch Variationen innerhalb einer Art ein. Wie gut eine Pflanze gedeiht, wie sie sich an ihre Umgebung anpasst und mit klimatischen Bedingungen oder natürlichen Feinden zurechtkommt, kommt auf ihre Gene an. Was jedoch ein einzelnes Gen in der Pflanze bewirkt, hängt wiederum weitgehend davon ab, wo und wie die Pflanze lebt: einzeln, in dichten Populationen, inmitten oder am Rande solcher Populationen, in welchem Lebensraum. Bei im Durchschnitt etwa 30.000 Genen, die zu verschiedenen Zeitpunkten oder unter wechselnden Bedingungen unterschiedlich aktiv sind, entsteht aufgrund der Variabilität in der Genaktivität eine unendliche Vielfalt an möglichen Kombinationen innerhalb einer einzelnen Art.

Die Projektgruppe „Ökologische Funktionen pflanzlicher Sekundärmetaboliten“ unter der Leitung von Meredith Schuman, die mit dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig assoziiert ist, untersucht nun genau die Vielfalt dieser Kombinationen in genetisch nahezu identischen Pflanzen. Dabei nutzten die Forscher die Tabakpflanze Nicotiana attenuata. Diese wilde Tabakart, auch Kojotentabak genannt, besitzt vielfältige und ausgeklügelte Verteidigungsmechanismen, mit der sie sich gegen Fraßfeinde zur Wehr setzt. Große Teile des Genoms dieser Pflanze sind bereits entschlüsselt worden.

Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler um Meredith Schuman Tabakpflanzen, in denen die Ausprägung bestimmter Abwehrgene, LOX2, LOX3 und TPS10, verändert worden war. Diese drei Gene vermitteln wichtige direkte (LOX3) und indirekte Verteidigungsmechanismen (LOX2, LOX3 und TPS10). Durch das Ausschalten oder das Überaktivieren dieser Gene in unterschiedlichen Kombinationen erhielten die Wissenschaftler Pflanzen, die nur aufgrund der unterschiedlichen Genexpression höchst unterschiedlich verteidigungsbereit waren.

Zu den indirekten Abwehrstrategien der Tabakpflanzen gehören beispielsweise Pflanzenduftstoffe, deren Funktion darin besteht, Raubinsekten Informationen über die Anwesenheit von pflanzenfressenden Insekten zu übermitteln. Aufgrund dieser Duftinformationen können die Räuber ihre Beute leichter finden, und die Pflanzen können sich ihrer Fraßfeinde entledigen. Da diese Duftstoffe über größere Entfernungen getragen werden, kann die gesamte Nachbarschaft von den angelockten Räubern profitieren, auch wenn nur einzelne Pflanzen diesen Duft abgeben. „Variationen einzelner Pflanzengene haben also Auswirkungen auf die gesamte Pflanzenpopulation, wenn diese Gene wichtige ökologische Funktionen erfüllen“, erläutert Meredith Schuman.

Die in ihrer Genausprägung veränderten Pflanzen wurden in Gruppen zusammen mit Wildtyppflanzen an ihrem natürlichen Standort in der Great Basin Desert im US-amerikanischen Bundesstaat Utah ausgepflanzt und über einen längeren Zeitraum kontrolliert. Dabei fiel den Forschern auf, dass sich je nach Kombination der Pflanzen die Populationen von pflanzenfressenden Insekten und deren natürlichen Feinden im Umfeld und auf den Pflanzen veränderte. Diese Veränderungen betrafen fast immer die gesamte Pflanzengruppe und nicht nur einzelne Pflanzen.

Wie so oft kam es bei den Freilandexperimenten auch zu überraschenden Beobachtungen. In der Nachbarschaft von Pflanzen, die TPS10 bildeten, bewirkte die Produktion des Abwehrstoffes trans-α-Bergamoten (TAB), der eigentlich die Feinde der Fraßfeinde anlockt, dass sich der Befall durch den stängelfressenden Rüsselkäfer Trichobaris mucorea − dessen Larven innerhalb der Stängel, also geschützt vor möglichen Raubinsekten leben − mehr als verdoppelte. „Diese Beobachtung zeigt, dass Info-Moleküle zweischneidige Schwerter sein können“, meint Ian Baldwin, Direktor der Abteilung Molekulare Ökologie und Pionier der ökologischen Genforschung. „Sie nutzen der Pflanze, wenn sie räuberische Insekten zu Hilfe holen, schaden ihr aber, wenn der Duft gleichzeitig Fraßschädlinge wie den Rüsselkäfer anlockt. Deshalb produzieren Pflanzen in der Regel den chemischen Hilferuf nur bei Befall durch Schädlinge, wenn sie deren Feinde anlocken wollen.“

Insgesamt ist nach Ansicht der Wissenschaftler die Vielfalt der Genausprägungen im Hinblick auf Ökosystemdienstleistungen durchaus vergleichbar mit der Artenvielfalt in einem Lebensraum. „Funktionelle Vielfalt bedeutet nichts anderes als die Fähigkeit verschiedener Individuen einer Art, unterschiedliche ökologische Aufgaben zu übernehmen. Wenn alle das Gleiche tun, wird das Überleben der Art gefährdet. Wir reden hier also von der Darwin’schen Fitness, der erfolgreichen Fortpflanzung innerhalb einer Art“, erklärt Ian Baldwin.

Die Forscher gehen noch einen Schritt weiter und weisen darauf hin, dass sich ihre Erkenntnisse für die moderne Landwirtschaft nutzen lassen. „Wenn man die Genausprägung einzelner Gene in nur wenigen Pflanzen einer Monokultur verändert, wird das gesamte Feld geschützt“, meint Meredith Schuman. „Damit hätten wir eine wirtschaftlich vertretbare Methode, einige der verlorenen Vorteile biologischer Vielfalt für ehemals artenreiche Lebensräume wiederzugewinnen, die in landwirtschaftliche Monokulturen umgewandelt wurden“.

Die Weltbevölkerung von derzeit über 7,2 Milliarden Menschen wird nach Schätzungen der Vereinten Nationen bis zum Ende des Jahrhunderts auf etwa zehn Milliarden anwachsen und all diese Menschen müssen ernährt werden. Der Bedarf an Nahrung wird mit wachsender Bevölkerungszahl stetig steigen. Grundlegende Erkenntnisse der ökologischen Pflanzenforschung über die Auswirkungen genetischer Merkmale in ihren verschiedenen Ausprägungen können dazu beitragen, landwirtschaftlich brauchbare Nischen nachhaltiger zu nutzen und sie den jeweils gegebenen landschaftlichen Verhältnissen besser anzupassen. [AO]

Originalveröffentlichung:
Schuman, M. C., Allmann, S., Baldwin, I. T. (2015). Plant defense phenotypes determine the consequences of volatile emission for individuals and neighbors. eLife, 4, e04490, doi: doi:10.7554/elife/04490
http://dx.doi.org/10.7554/elife/04490


Weitere Informationen:
Ian T. Baldwin, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-1101, baldwin@ice.mpg.de
Meredith C. Schuman, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-1116, mschuman@ice.mpg.de

Kontakt und Bildanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de
Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/itb-research.html?&L=1 (Forschung in der Abteilung Molekulare Ökologie)
http://www.ice.mpg.de/ext/1041.html?&L=1 ("Pionier der ökologischen Genforschung", Pressemeldung vom 6.9.2013)

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

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