Seegraswiese in der Ostsee. Hier handelt es sich nicht um eine Population, sondern um einen Klon. Foto Pekka Tuuri

Seegraswiese in der Ostsee. Hier handelt es sich nicht um eine Population, sondern um einen Klon. Foto Pekka Tuuri

Die neue Studie zeigt am Beispiel des Seegrases, dass Klone genetisch nicht so homogen sind wie angenommen - und sich deshalb erfolgreich in der Umwelt behaupten können. Foto: Pekka Tuuri

Die neue Studie zeigt am Beispiel des Seegrases, dass Klone genetisch nicht so homogen sind wie angenommen - und sich deshalb erfolgreich in der Umwelt behaupten können. Foto: Pekka Tuuri

Klone – alles andere als identisch

Neue Studie zeigt, wie asexuelle Populationen von Pflanzen oder Tieren in der Natur gedeihen können

11.05.2020/Kiel. Genetische Vielfalt gilt allgemein als Voraussetzung für das Überleben und die Widerstandsfähigkeit von Arten oder Populationen. Die sexuelle Fortpflanzung sichert diese Vielfalt. Klone – große asexuelle Populationen von Pflanzen oder Tieren, die durch Verzweigung und Fragmentierung wachsen – sind jedoch die Grundlage einiger der stabilsten und produktivsten Meeresökosysteme wie Seegraswiesen und Korallenriffe. Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Leitung des GEOMAR Helmholtz- Zentrums für Ozeanforschung Kiel hat heute in der Zeitschrift Nature Ecology and Evolution eine Studie veröffentlicht, die ein neues Licht auf dieses scheinbare Paradoxon wirft.

Thorsten Reusch, heute Professor für Marine Ökologie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, hat als Postdoktorand eine Entdeckung gemacht, die eigentlich allgemeinen ökologischen Konzepten widerspricht. Als er Ende der 1990er Jahre Seegraswiesen in der Ostsee genetisch untersuchte, stellte er fest, dass ein Standort in der Nähe der Åland-Inseln (Finnland) aus dem gleichen Genotyp bestand. Dabei handelte es sich nicht um eine Population, sondern um ein einzelnes Individuum - einen Klon.

Da Klone angeblich aus genetisch identischen Replikaten zusammengesetzt sind, ist ihre bloße Existenz nur schwer mit Konzepten der genetischen Vielfalt als Voraussetzung für Überleben und Widerstandsfähigkeit zu vereinbaren. Seit den ersten Entdeckungen wurde jedoch immer deutlicher, dass große Klone in der Natur weit verbreitet sind und dass diese extreme Klonalität auch für evolutiv alte Tiere, zum Beispiel riffbildende Korallen, gilt. Wie ist es möglich, dass Klone die Grundlage für einige der stabilsten und produktivsten Ökosysteme wie Korallenriffe oder Seegraswiesen sind?

Diesem grundlegenden ökologischen Rätsel hat sich nun ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Thorsten Reusch am GEOMAR Helmholtz- Zentrum für Ozeanforschung Kiel mit dem Seegras Zostera marina als Modellart angenommen. Heute hat das Team seine Ergebnisse in der internationalen Fachzeitschrift Nature Ecology and Evolution veröffentlicht.

Für die Studie verwendete das Team einen weiteren großen Seegrasklon aus der Ostsee, dessen DNA-Fingerabdruck bereits zuvor erstellt worden war. Es machte sich außerdem die hochwertige Genomsequenz des Seegrases zunutze, die bereits 2016 unter Mitwirkung des GEOMAR-Teams veröffentlicht wurde. Die Arbeitsgruppe nutzte außerdem die enorme Sequenzierleistung der modernen Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung am Institut für Klinische Molekularbiologie Kiel (IKMB), um die Ausbreitung genetischer Varianten im wachsenden Klon zu verfolgen, die durch Mutationen im eigentlichen Körpergewebe außerhalb der Keimbahn entstanden waren.

„Wir waren sehr überrascht über das Ausmaß dieser sogenannten ‚somatischen‘ genetischen Variation. In der Analyse fanden wir Hunderte von Genen, die durch Variation der DNA-Basensequenz an Positionen betroffen waren, welche das resultierende Protein tatsächlich verändern würden. Das zeigt ihr Potenzial, zur Anpassung beizutragen", sagt Lei Yu, Doktorand in der Gruppe von Prof. Reusch und Erstautor der Studie.

Es wird jedoch schwierig sein, diejenigen Genvarianten zu identifizieren, die wirklich zur Anpassung beitragen. „Wenn eine vorteilhafte somatische Mutation zu einer erhöhten Vermehrung eines Ablegers führt, werden gleichzeitig viele andere genetische Variationen als ‚trittbrettfahrende‘ Gene mitgezogen, obwohl sie nicht zu einer besseren Anpassung geführt haben. Die entscheidende Mutation unter den vielen anderen zu finden ist schwierig, wenn die sexuelle Fortpflanzung und die Rekombination der genetischen Variation fehlen“, erklärt Prof. Reusch.

Glücklicherweise wurde die GEOMAR-Gruppe gerade mit Forschungsgeldern des renommierten „Human Frontiers of Science Program HFSP“ für das Projekt ADAPTASEX ausgezeichnet, wo sie gemeinsam mit Korallen- und Krebsforschern untersuchen wird, wie weit Anpassungsprozesse in Klonen verbreitet sind und wie diese modelliert werden können, indem Prinzipien aus der Krebsforschung übernommen werden. „Unsere Idee war, dass ein wachsender Krebstumor, bevor er seinen Wirt zerstört, sehr analog zu einem sich anpassenden, freilebenden Klon ist. Wir möchten diese Parallelen erforschen und modellieren“, sagt Prof. Reusch.

Doch schon jetzt zeigt die neue Studie, dass somatische Mutationen zu genetisch unterschiedlichen Seegras-Ablegern führen können, weil neue Ableger von nur wenigen Zellen initiiert werden. „Dies stellt einen neuartigen Evolutionsweg für eine große Gruppe von Arten dar, darunter zum Beispiel Korallen, viele Algen und Seegräser, die bisher als evolutionäre Sackgassen galten“, erklärt Prof. Reusch. Dieser Flaschenhals bei der Bildung klonaler Nachkommen ist der Schlüssel zur Aufteilung der somatischen genetischen Variation in differenzierte Ableger, damit sie der natürlichen Selektion unterworfen werden können. Thorsten Reusch resümiert: „Dieser Prozess könnte eine Erklärung dafür bieten, warum diese Arten auch unter starkem Umweltstress nicht ausgestorben sind“. Und dies wiederum könnte teilweise das Rätsel lösen, warum es große, alte Klone gibt - gerade weil sie vielleicht doch nicht genetisch homogen sind.

Seegraswiese in der Ostsee. Hier handelt es sich nicht um eine Population, sondern um einen Klon. Foto Pekka Tuuri

Seegraswiese in der Ostsee. Hier handelt es sich nicht um eine Population, sondern um einen Klon. Foto Pekka Tuuri

Die neue Studie zeigt am Beispiel des Seegrases, dass Klone genetisch nicht so homogen sind wie angenommen - und sich deshalb erfolgreich in der Umwelt behaupten können. Foto: Pekka Tuuri

Die neue Studie zeigt am Beispiel des Seegrases, dass Klone genetisch nicht so homogen sind wie angenommen - und sich deshalb erfolgreich in der Umwelt behaupten können. Foto: Pekka Tuuri