(22. September 2011) Die meisten kennen wohl die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana nur aus dem Labor. Wie sie sich in ihrem natürlichen Verbreitungsraum von Asien bis Nordafrika an unterschiedliche Umweltbedingungen wie Hitze, Kälte oder Trockenheit anpassen konnte, will ein internationales Forscherteam im Projekt „1001 Genomes“ herausfinden. Mit dabei sind der Entwicklungsbiologe Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und der Pflanzengenetiker Karl Schmid von der Uni Hohenheim in Stuttgart. Bis 2012 wollen sie mit ihren Kollegen 1001 A. thaliana-Genome vergleichen, um die Erfolgsgeschichte der Pflanze seit der letzten Eiszeit besser zu verstehen. 80 Genome von A. thaliana-Vertretern sind bereits sequenziert (Weigel et al., Nat Genet 2011, doi:10.1038/ng.911, online vorab publiziert).
Die Forscher sammelten die Pflanzen in den natürlichen Ausbreitungsgebieten von A. thaliana in Eurasien und Nordafrika. Beispielsweise in Marokko, Spanien, Russland und dem Kaukasus, aber auch in Südtirol oder Schwaben. Mit der Illumina-Technik, einer Weiterentwicklung des Shotgun-Sequencing, schnitten sie die DNA in zufällige Fragmente und vervielfältigten diese, um sie an Millionen Stellen gleichzeitig sequenzieren zu können. Mit Hilfe einer Referenzsequenz – dem ersten bereits im Jahr 2000 entschlüsselten Genom von A. thaliana – konnten sie die DNA-Schnipsel am Computer wieder zusammensetzen.
Bisher konnten Weigel, Schmid und Co. bereits 5 Millionen genetische Variationen – Polymorphismen – katalogisieren. Alle Ergebnisse des Projektes werden in die öffentlich zugängliche Datenbank „Polymorph“ eingetragen.
Karl Schmid möchte innerhalb des Projekts die Evolution von A. thaliana seit der letzten Eiszeit vor 18.000 Jahren erforschen. Denn auf dem Höhepunkt der Eiszeit reichte das Eis über Russland und Skandinavien bis auf die Höhe von Leipzig. Der Rest von Deutschland war Tundra – Permafrost –, während die Region um die Alpen ebenfalls mit Eis bedeckt war. Für A. thaliana waren diese Bedingungen zu frostig: Sie zog sich in den wärmeren Mittelmeerraum zurück. „Nach dem Verschwinden des Eises breitete sie sich wieder in Richtung Norden und Nordosten aus. Anhand der Muster der genetischen Vielfalt von A. thaliana kann man diesen Prozess rekonstruieren“, erläutert Schmid.
Um den Mittelmeerraum, besonders in Spanien, findet man vielfältige Pflanzenpopulationen mit einer großen Anzahl an Polymorphismen. „Das sind vermutlich die ältesten Populationen“, berichtet Karl Schmid. In Asien herrschen dagegen genetisch eintönigere Populationen vor, was darauf schließen lässt, dass die Pflanze dort erst nach der Eiszeit hingewandert ist. Zudem weisen die asiatischen A. thaliana-Populationen einen höheren Anteil an sinnverändernden und potenziell schädlichen Aminosäureaustauschen auf, wie die Forscher statistisch mit dem Programm „MAPP“ ermittelten. „Die Selektion hatte noch nicht genügend Zeit, die nachteiligen Mutationen zu entfernen“, erklärt Karl Schmid.
Ihn interessiert weiterhin, ob während der Eiszeit Rückzugsgebiete, sogenannte Refugien existierten, in denen Pflanzen überwintern konnten. Solche Refugien vermutet man zum Beispiel auf der Spitze der Alpen, da diese wahrscheinlich über die Gletscher hinausragten und eine eisfreie Zuflucht boten. In den italienischen Alpen haben viele Arten in solchen Refugien überlebt und sind von ihren Schwesterarten divergiert, beispielsweise das Baldo-Windröschen. „Wir wollen wissen ob innerhalb der Refugien eine lokale Anpassung stattgefunden hat, weil sich ihr Klima sehr stark unterscheidet, und ob wir diese Anpassungsmechanismen im Genom detektieren können“, so Schmid.
In einem nächsten Schritt – der funktionellen Charakterisierung – sollen den Mutationen im Genom phänotypische Änderungen zugeordnet werden. „A. thaliana weist ein hohes Maß an genetischer Vielfalt auf. Hunderte von Genen sind in bestimmten Individuen nicht vorhanden oder durch Mutationen in ihrer Funktion verändert worden“, schwärmt Karl Schmid von seiner Modellpflanze. „Wir entwickeln die Werkzeuge, die Methoden, die Statistiken und die Software um diese riesengroßen Datenmengen zu analysieren“, berichtet er. Mit diesen Hilfsmitteln kann in Zukunft nicht nur die Erfolgsgeschichte von A. thaliana untersucht werden, sondern auch die von anderen Pflanzen.
Ewelina Zankowitsch
Bilder: Olivier M./fotolia.com (Arabidopsis)
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