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Evolutionary responses of plants to environmental changes through the lens of ecological theories: an experimental test using the model species Arabidopsis thaliana

01.05.2018 bis 30.04.2021

Die Fähigkeit von Organismen, insbesondere von Pflanzen, sich an ändernde Umgebungsbedingungen anzupassen, ist ein zentraler Aspekt der evolutionären Ökologie. Anpassung kann durch genetische Drift, Umweltheterogenität und Mangel an genetischer Variabilität erschwert werden. Außerdem wird angenommen, dass Pflanzen nicht gleichzeitig verschiedene Aufgaben effizient bewältigen können, wie das Erwerben versus das Bewahren von Ressourcen, oder sowohl konkurrenzfähig als auch stresstolerant zu sein. Die resultierenden Trade-offs wurden in der vergleichenden Ökologie als wichtige Beschränkungen der Diversifikation der Lebensformen und -funktionen erkannt, aber deren generelle Anwendbarkeit ist noch ungeklärt.
Experimentelle Evolution bietet die perfekte Gelegenheit, den evolutionären Prozess in Echtzeit zu untersuchen und die Stichhaltigkeit bedeutender ökologischer Hypothesen zu testen. Im ARABREED-Projekt werden Änderungen in wichtigen ökologischen Trade-offs und in der grundlegenden allelischen Zusammensetzung von Pflanzenpopulationen in Bezug auf biotische und abiotische Faktoren untersucht. ARABREED profitiert hierbei von der Verfügbarkeit von umfangreichem genetischem Material von Arabidopsis thaliana, welches im Evolutionsexperiment über drei Generationen unter kontrastierenden Behandlungen mit Ressourcenverfügbarkeit (Nährstoffe und Wasser) und Herbivorie eingesetzt wird. Hierzu wurden 350 F2-Populationen (500,000 Genotypen) aus Kreuzungen zwischen 400 phänotypisierten und sequenzierten natürlichen Varietäten aus Eurasien generiert. Dies hat vermutlich Phänotypen hervorgebracht, welche aus natürlichen Populationen wegselektiert wurden, wodurch Zugang zu genetischer und phänotypischer Diversität in sowohl ehemaligen als aktuell angepassten Populationen entsteht. Evolvierende Pflanzen werden in situ phänotypisiert und für Analysen unter kontrollierten Bedingungen (ex situ Phänotypisierung), reziproke Transplantationsexperimente und next-generation sequencing (pool-seq) beprobt. Zusätzlich zur Analyse evolutionärer Veränderung von Merkmalskoeffizienten und genetischen Trade-offs werden wir die Ergebnisse mit der evolutionären Wirkung von variablen Klimata in einem multi-site Evolutionsexperiment, welches weltweit an der gleichen Art durchgeführt wird, vergleichen.
Experimentelle Evolution mit einem kleinen, kurzlebigen Modelorganismus unter kontrastierenden Umgebungsbedingungen bietet eine hervorragende Möglichkeit, den Umfang intraspezifischer Variabilität, die Rolle von Einschränkungen und Selektion bei der Gestaltung von allgegenwärtigen Trade-offs, und die potenziellen Grenzen der Selektion auf bestimmte Merkmale zu untersuchen. Das facettenreiche und stark transdisziplinäre Projekt ARABREED am Schnittpunkt zwischen vergleichender Ökologie, evolutionärer Biologie und Populationsgenomik birgt ein großes Potenzial nicht nur die Grundlagenforschung sondern auch die angewandten Lebenswissenschaften voranzutreiben.