Aussicht auf eine trockenere Zukunft und wie sich die genetische Zusammensetzung von Waldpopulationen ändern könnte
Die Ermittlung von Genen, die es Arten ermöglichen, sich an ihre jeweilige Umgebung anzupassen, ist eines der Hauptziele der Evolutionsforschung. Die meisten Adaptationsereignisse erfolgen durch sogenannte polygene Anpassung als Ergebnis von Veränderungen in vielen Genen. Die schlechte Nachricht ist, dass es statistisch gesehen äußerst schwierig ist, die subtilen Signale polygener Adaptation aus Genomdaten zu entschlüsseln. Dies liegt daran, dass verschiedene Loci (Gene an bestimmten Positionen auf einem Chromosom) möglicherweise auf ungleiche, nichtlineare Weise miteinander interagieren.
Identifizierung der Signatur der Auswahl zur Adaptation
„Das Hauptziel von FORGENET(öffnet in neuem Fenster) war es, die statistische Leistung von Tests zum Nachweis der genomischen Signatur polygener Adaptation in simulierten und realen Datensätzen zu untersuchen“, erläutert Katalin Csilléry, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin an der Universität Zürich(öffnet in neuem Fenster). Paarweise Tests wurden angewendet, um nicht zufällige Assoziationen zwischen Loci unter Populationen festzustellen. Dies zeigt, dass die Signaturauswahl ausbleibt, die auf eine Adaptation hinweist. „Während der Ausführungsphase haben wir in Nemo, einem auf Einzelpersonen basierenden Zeitsimulator für die Zukunft, ein Modell für Geninteraktionen implementiert. Dieses neue Instrument berücksichtigt explizit Geninteraktionen zwischen Loci bei der Beeinflussung eines durch viele Gene gesteuerten Merkmals und kann Daten im Genom-Maßstab für eine Vielzahl demografischer Szenarien liefern“, so Csilléry. Um die Auswirkung von Geninteraktionen auf die Adaptation zu untersuchen, wurden verschiedene Schlüsselparameter variiert. Dazu gehörten der Grad des Genflusses, die Mutationsrate, die Rekombinationsrate, die Selektionsvarianz sowie die Stärke der Geninteraktionen zwischen Loci. „Bezeichnenderweise haben wir festgestellt, dass Geninteraktionen die Adaptation in einem sich ändernden Umfeld fördern können“, betont Csilléry. Die Populationen passten sich schneller an und erreichten das phänotypische Optimum genauer im Vergleich zu einem Szenario, bei dem jedes Gen unabhängig wirkt. Der nächste Schritt bestand darin, zu prüfen, ob diese durch Simulationen erhaltenen Ergebnisse durch reale Daten bestätigt werden konnten. „In Zusammenarbeit mit Olivier François, Professor an der Universität Grenoble, und mit Pär Ingvarsson, Professor an der schwedischen Universität für Agrarwissenschaften, wenden wir paarweise Tests zur Adaptation an die Photoperiode (Hell- und Dunkelperioden) bei Arabidopsis thaliana und der Europäischen Espe an (Populus tremula).“ Für die beiden Arten wurden jeweils Daten aus Populationen aus denselben Regionen Schwedens gesammelt. Die Photoperiode ist angeblich der wichtigste selektive Treiber für den zeitlichen Ablauf des Knospens zwischen den nord- und südschwedischen Espenpopulationen. Diese Analyse ist noch nicht abgeschlossen.
Die besondere Bedeutung der Trockenheitstoleranz bei Waldbäumen heutzutage besonders wichtig
FORGENET bewertete die Trockenheitstoleranz eines ökologisch und ökonomisch wichtigen europäischen Nadelbaums: Der Weißtanne (Abies alba). Dies erfolgte unter Verwendung eines evolutionären quantitativen (Steuerung durch viele Gene) genetischen Ansatzes. Populationen aus Gebieten mit geringer Bodenwasserspeicherkapazität waren dürretoleranter als andere. „Diese Populationen wiesen jedoch auch eine langsame Wachstumsrate auf, was im Widerspruch zu den Interessen der Forstwirtschaft stehen könnte“, fügt sie hinzu. Viele Waldbaumarten sind in ihren derzeitigen Lebensräumen durch den Klimawandel gefährdet, und die Einschätzung von deren Adaptationsfähigkeit ist eine wichtige europäische Forschungspriorität. Csilléry fasst zusammen: „Die Ergebnisse dieser Studie können nun zur Auswahl von Populationen für Genomdaten verwendet werden, um Gen-Netzwerke zu identifizieren, die eine Rolle bei der Anpassung an die Reaktion auf Trockenstress spielen.“ Die Ergebnisse wurden in einer Publikation(öffnet in neuem Fenster) veröffentlicht.
FORGENET vertreibt seine spezielle Marke für Big-Data-Genomanalyse
Eine erste Sommerakademie mit Schwerpunkt auf polygener Adaptation sowie ein Forschungssymposium zum Thema „Detecting the Genomic Signal of Polygenic Adaptation and the Role of Epistasis in Evolution“ verbreiteten den FORGENET-Ansatz zur Analyse genomischer Daten. Eine Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Molecular Ecology(öffnet in neuem Fenster) trägt denselben Titel wie das Symposium.
