Dienstag, 25.06.2019 20:27 Uhr

Alpenwanderung mit Folgen - Orchideenforschung

Verantwortlicher Autor: Julia Barthold Universität Hohenheim, Stuttgart, 23.01.2019, 13:56 Uhr
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Der Schlern mit der Seiser Alm thront über der schönen Kleinstadt Seis in Südtirol
Der Schlern mit der Seiser Alm thront über der schönen Kleinstadt Seis in Südtirol  Bild: Julia Barthold

Universität Hohenheim, Stuttgart [ENA] Forscher verifizieren eine fast 70 Jahre alte genetische Hypothese. An einer Orchideen-Population in Südtirol belegen Forscher der Universitäten Hohenheim, Zürich und Wien die Überdominanz-Hypothese. Sogar die renommierte „Nature Communications“ veröffentlicht die Publikation darüber.

Mischerbige Pflanzen sind fitter als reinerbige – und ihnen daher überlegen. Mit dieser Hypothese der sogenannten Überdominanz wird seit 1951 das Vorkommen verschiedener Erscheinungsformen in einer Population erklärt. Doch einen klaren Beleg für diesen Mechanismus konnte bisher noch niemand erbringen. Erst jetzt ist es einem Forschungsteam der Universitäten Hohenheim, Zürich, Wien und Cambridge gelungen, die These zu bestätigen. Das Forschungsobjekt: Das Schwarze Kohlröschen, eine schöne, wohlriechende Alpenorchidee. Auf der Seiser Alm in Südtirol ist sie nicht nur in ihrer dunklen Variante zu finden – und hat damit die Neugier der Forscher geweckt.

Es begann als Wanderung und endet als Forschungsprojekt:

Als der Botaniker Dr. Roman Kellenberger in Südtirol unterwegs war, stach ihm etwas Außergewöhnliches ins Auge. Das Schwarze Kohlröschen (Gymnadenia bzw. Nigritella rhellicani) ist hier weit verbreitet – doch die eigentlich dunkelviolettte, fast schwarze, duftende Alpenorchidee zeigt sich auf der Seiser Alm in drei verschiedenen Farbausprägungen. Nur 62 Prozent der Pflanzen weisen den fast schwarzen Wildtyp auf, 28 Prozent sind rot und 10 Prozent weiß.

„Diese Zahlen sind zu hoch, um einfach nur spontane Mutationen zu sein. Es gibt zwar immer mal vereinzelt Exemplare in anderen Farben, aber Sie verschwinden wieder, wenn sie keinen Selektionsvorteil haben“, erklärt Dr. Kellenberger, damals noch Doktorand an der Universität Zürich und mittlerweile an der Universität Cambridge tätig. Er besprach sich mit seinem Fachbetreuer Prof. Dr. Philipp Schlüter, der heute das Fachgebiet Biochemie des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels an der Universität Hohenheim leitet.

Mischerbigkeit ist ein Vorteil

Die beiden Forscher haben den Verdacht, es könnte sich um einen sogenannten Polymorphismus („Vielgestaltigkeit“) durch Überdominanz handeln. Eine Hypothese, die im Jahr 1951 erstmals von Theodosius Dobzhansky aufgestellt wurde und die ein grundlegendes Konzept in der Evolutionsbiologie darstellt. Doch einen überzeugenden Beleg für eine echte Überdominanz zum Erhalt von Polymorphismus in einer natürlichen Population gab es bisher noch nicht. Prof. Dr. Schlüter erklärt den genetischen Hintergrund: „Überdominanz bedeutet, dass die Fitness mischerbiger Nachkommen höher ist als bei beiden reinerbigen Eltern.“ Der Begriff der Fitness steht in der Biologie für Anpassungsfähigkeit und Resilienz.

Bestäuber bevorzugen rote Blüten…

Um dem Phänomen auf die Spur zu kommen, war zunächst Recherche nötig: „Der Farbpolymorphismus beim Schwarzen Kohlröschen existiert seit mindestens 100 Jahren“, berichtet Prof. Dr. Schlüter. „Denn erstmals erwähnt wurde er im Jahr 1906.“ Aufzeichnungen zufolge sei von 1997 bis 2016 der Anteil der roten und weißen Exemplare von zusammen unter 5 Prozent auf rund 40 Prozent gestiegen – ein Hinweis darauf, dass die neuen Varianten, bzw. vor allem die rote Variante, der schwarzen überlegen sind.

Den Grund dafür sehen die Forscher in den Bestäubern der Pflanze: „Auf der Seiser Alm sind Bienen und Fliegen die wichtigsten Bestäuber des Schwarzen Kohlröschens“, erklärt Prof. Dr. Schlüter. „Die beiden werden jedoch von unterschiedlichen Farben angezogen: Bienen bevorzugen die dunklen Blüten, Fliegen die weißen, und die roten werden von beiden Bestäubern aufgesucht.“ Mit der Folge, dass die rote Farbvariante die höchste Anzahl an Bestäubern anspricht, dadurch am häufigsten bestäubt wird und dann darum die meisten Samen trägt und sich dadurch dann auch am stärksten vermehren kann.

…und rote Blüten sind mischerbig

Nähere Untersuchungen, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jürg Schönenberger am Department für Botanik und Biodiversitätsforschung der Universität Wien, ergaben schließlich, dass die Pflanzen tatsächlich nur in einem Merkmal variieren. Lediglich eine Art von Farbpigmenten unterscheidet sich. Die Forscher führten genetische Untersuchungen durch, glichen die Ergebnisse mit dem Erscheinungsbild der Pflanzen ab, und konnten tatsächlich ein bestimmtes Gen als Verursacher ermitteln.

Überdominanz erklärt Farbvarianten in der Population

Die beiden reinerbigen Varianten (dunkelviolett und weiß) haben also keinen Fitness-Nachteil, die mischerbige (rot) jedoch weist mit ihrer größeren Attraktivität für verschiedene Bestäuber und damit höheren Samenanzahl aber eine höhere Fitness auf. „Das alles zeigt uns, dass Überdominanz tatsächlich in der Natur auftritt und eine Erklärung für Polymorphismus in einer Population darstellt“, fasst Prof. Dr. Schlüter zusammen.

Die „Alpenvanille“, wie das Schwarze Kohlröschen wegen seines Duftes auch genannt wird, stellt daher auch aus Forschungssicht eine außergewöhnliche Pflanze dar. „Die Population auf der Seiser Alm ist einzigartig“, hebt Prof. Dr. Schlüter hervor. Die Orchideen überleben besonders gut auf mageren Wiesen. Der Experte mahnt daher: „Auch künftig sollten ihre Lebensräume erhalten bleiben – und nicht zuletzt auch die Bestäuber geschützt werden.“

Publikation in "Nature Communications"

Roman T. Kellenberger, Kelsey J.R.P. Byers, Rita M. De Brito Francisco, Yannick M. Staedler, Amy M. LaFountain, Jürg Schönenberger, Florian P. Schiestl, Philipp M. Schlüter (2019): Emergence of a floral colour polymorphism by pollinator-mediated overdominance. Nature Communications ***https://doi.org/10.1038/s41467-018-07936-x*** (Bitte kopieren Sie dazu den gesamten Link, zwischen den Sternche, in die Adress-Zeile Ihres Browsers. Die direkte Verlinkung im Artikel geschieht automatisch und ist leider häufig unvollständig. Vielen Dank für Ihr Verständnis.)

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