Wenn Bestäuber immer seltener werden, greifen Pflanzen möglicherweise auf Selbstbefruchtung zurück – eine Überlebensstrategie, die ganz eigene, gemischte Folgen hat. Laut einer neuen Studie in The American Naturalist ist dies jedoch nicht unbedingt eine Sackgasse für Pflanzen. Die Studie von Kuangyi Xu legt dies nahe Pflanzen könnten sich angesichts der schwindenden Verfügbarkeit von Pollen selbst retten. Durch ausgefeilte ökoevolutionäre Modellierung deckt Xu Bedingungen auf, unter denen Selbstbefruchtung, angetrieben durch unmittelbare Anpassung oder allmähliche Evolution, zur Lebensader für kämpfende Pflanzenpopulationen wird. Interessanterweise könnten diese Pflanzen nicht nur ihr Überleben sichern, sondern auch aktiv schädliche genetische Fehler aus ihrer DNA entfernen.
Xus Arbeit deckt ein faszinierendes Pflanzenparadoxon auf. Da sie aufgrund von Umweltveränderungen mit Pollenmangel zu kämpfen haben, könnte die zunehmende Selbstbefruchtung sowohl ein Segen als auch ein Fluch für ihr Überleben sein. Die von Xu vorgestellten Modelle legen nahe, dass die Häufigkeit der Selbstbestäubung – die „Selbstbestäubungsrate“ – eine entscheidende Komponente in diesem Balanceakt ist.
Auf der einen Seite bietet eine erhöhte Selbstbefruchtung eine sofortige Fortpflanzungsversicherung, eine Form der DIY-Kontinuität für Pflanzenarten. Auf der anderen Seite könnten dadurch jedoch schädliche rezessive Mutationen aufgedeckt werden, die die Pflanzengesundheit beeinträchtigen und die Überlebenschancen verringern. Auch die Verwendung von Pollen zur Selbstbefruchtung kann mit Kosten verbunden sein wenn die Pollen schon seit Ewigkeiten auf Sie warten, und es ist kein Bestäuber aufgetaucht.
Xus Forschung legt nahe, dass das Zauberrezept für das Überleben der Pflanzen ein moderates Maß an Selbstbefruchtung ist, das entweder durch sofortige Anpassung oder langsame Evolution erreicht werden kann. Der Bedarf an Selbstbefruchtung steigt mit der Schwere des Pollenmangels.
Um der Geschichte eine neue Wendung zu verleihen, geht Xu davon aus, dass der Hauptvorteil der Selbstbefruchtung bei milder Polleneinschränkung möglicherweise nicht in der Sicherung der Fortpflanzung, sondern in der Eliminierung schädlicher genetischer Elemente liegt. Bei starker Polleneinschränkung kommen beide Vorteile zum Tragen und deuten auf eine wunderbar komplexe und differenzierte Überlebensstrategie in der Pflanzenwelt hin.
Darüber hinaus fand Xu heraus, dass kleinere Pflanzenpopulationen eine geringere Steigerung der Selbstbefruchtung benötigen, um zu überleben, was darauf hindeutet, dass die Größe einer Pflanzenpopulation eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der optimalen „Selbstbefruchtungsrate“ spielt. In einer zunehmend anspruchsvolleren Welt für die Pflanzenreproduktion könnten sie die Selbstbefruchtung als heikle Überlebensstrategie übernehmen.
Pollenknappheit, oft ausgelöst durch menschliche Aktivitäten und schwindende Bestäuberpopulationen, beeinträchtigt die Fortpflanzungsfähigkeit einer Pflanze erheblich. Wenn solche Veränderungen auftreten, gehen wir normalerweise davon aus, dass die Evolution Eigenschaften begünstigt, die das Paarungspotenzial und die Überlebenschancen einer Pflanze verbessern. Als Reaktion auf verschiedene Umweltveränderungen wie menschliche Störungen, Lebensraumfragmentierung und extreme Wetterbedingungen wurde ein Anstieg der Selfing-Raten festgestellt. Aber da ist ein Fang.
Während die Selbstbefruchtung die Überlebenschancen in einem anspruchsvollen Umfeld verbessern kann, hat sie auch eine Kehrseite: Sie kann zu einer Inzuchtdepression führen, bei der die Gesundheit der Nachkommen aufgrund der Exposition gegenüber schädlichen rezessiven Mutationen beeinträchtigt wird. Während Selbstsucht die unmittelbare Fortpflanzung unterstützt, kann sie auch zukünftige Generationen schwächen. Daher ist die Abwägung der Vorteile der Selbstbefruchtung und der Kosten einer Inzuchtdepression überlebenswichtig.
Es gibt zwei Hauptwege, durch die die Selfing-Raten steigen können: evolutionäre Veränderungen (langfristige genetische Anpassungen) und phänotypische Plastizität (sofortige Reaktion auf Umweltstress). Beide Mechanismen haben ihre Vor- und Nachteile und ihre Auswirkungen auf das Überleben von Pflanzenpopulationen sind nicht vollständig geklärt. Xus Forschung trägt dazu bei, diese Wissenslücke zu schließen, indem sie die Auswirkungen beider Mechanismen auf das Überleben von Pflanzen bei unterschiedlichem Pollenmangel vergleicht.
Mithilfe mathematischer Modelle und Computersimulationen liefert Xu tiefere Einblicke in die Art und Weise, wie sich Pflanzenpopulationen an Hürden wie eine verringerte Pollenverfügbarkeit anpassen. Eines dieser Modelle generiert eine „Überlebenswahrscheinlichkeit“ – eine Schätzung, wie wahrscheinlich es ist, dass die Population über einen bestimmten Zeitraum hinweg bestehen bleibt.
Schädliche Mutationen, die stärker rezessiv sind, verursachen eine stärkere Inzuchtdepression, was zu einer stärkeren anfänglichen Verringerung der Fitness führt und in Populationen mit gemischter Paarung länger dauert, bis sie beseitigt sind. Unterdessen werden schädliche Mutationen mit geringerer Wirkung langsamer entfernt und führen zu einer stärkeren Verringerung der Fitness unter der Entwicklung einer höheren Selfing-Rate. Im Allgemeinen scheint eine unmittelbare Anpassung durch Plastizität für das Überleben der Population vorteilhafter zu sein als die Evolution, aber manchmal bietet eine Mischung aus beidem die höchste Überlebenswahrscheinlichkeit.
Die Stärke der Plastizität des Paarungssystems variiert häufig zwischen den Populationen (Koski et al. 2019, Eckert et al. 2011), aber die Entwicklung der Plastizität des Paarungssystems wird trotz einiger Studien zu einigen speziellen Mechanismen der Plastizität, wie z. B. der verzögerten Selbstbildung, kaum untersucht (Übersicht in Goodwillie und Weber (2018)). Die aktuellen Ergebnisse legen nahe, dass es für Studien zur Entwicklung der Plastizität wichtig ist, Wechselwirkungen zwischen Inzuchtdepression, genetischer Belastung und stochastischer Dynamik der Pollenlimitierung einzubeziehen.
Xi 2023
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Xu, K. (2023) „Populationsrettung durch Erhöhung der Selbstbestäubungsrate unter Pollenlimitierung: Plastizität vs. Evolution" Der amerikanische Naturforscher. Verfügbar unter: https://doi.org/10.1086/725425.
