Petr Pyšek und ein Team von Forschern aus Institutionen in ganz Europa, China und den USA wollten das verstehen warum manche Pflanzenarten invasiv werden, wenn sie außerhalb ihres natürlichen Verbreitungsgebiets eingeführt werden. Diese Frage ist wichtig, da invasive Arten den Ökosystemen schwere Schäden zufügen und deren Bekämpfung Milliarden kosten kann.

Die Forscher analysierten Daten von über 11,000 Pflanzenarten aus der ganzen Welt, um zu untersuchen, wie sich zwei wichtige genetische Faktoren – Genomgröße und Ploidie – auf die verschiedenen Invasionsstadien auswirken. Unter Genomgröße versteht man die Gesamtmenge an DNA, die in den Zellen eines Organismus enthalten ist. Ploidie ist die Anzahl der Chromosomensätze; Beispielsweise haben diploide Pflanzen zwei Sätze, während tetraploide vier haben.

Durch die Zusammenstellung umfangreicher globaler Datensätze konnte das Team die Zusammenhänge zwischen diesen genetischen Merkmalen und dem Erfolg der Invasion zuverlässig testen. Sie wollten Aufschluss darüber geben, warum bestimmte Pflanzen zu problematischen Eindringlingen in neue Regionen werden. Die Ergebnisse, veröffentlicht in New Phytologisthaben wichtige Auswirkungen auf die Vorhersage und Bewältigung biologischer Invasionen.

Sammeln der Beweise

Die Forscher sammelten einen riesigen Datensatz von Pflanzenarten aus aller Welt. Dazu gehörten 10,400 Blütenpflanzenarten (Angiospermen), 379 Gymnospermen (wie Nadelbäume), 218 Farne und 52 Bärlaucharten.

Die Daten zu Genomgrößen und Chromosomenzahlen stammen aus der Plant DNA C-values ​​Database des Royal Botanic Gardens Kew. Dies stellt weltweit die umfassendste Zusammenstellung von Messungen der Pflanzengenomgröße dar. Die Forscher durchsuchten außerdem die wissenschaftliche Literatur, um Daten zur Genomgröße für weitere 40 Arten hinzuzufügen, die noch nicht in der Datenbank enthalten sind.

Informationen darüber Pflanzenarten eingebürgert oder invasiv geworden sind, wenn sie außerhalb ihrer Heimatregionen eingeführt wurden, stammen aus der Global Naturalized Alien Flora (GloNAF)-Datenbank. Diese Daten umfassen 13,939 eingebürgerte gebietsfremde Pflanzenarten in über 1,000 Regionen weltweit. Für eine Teilmenge von 349 Regionen lagen auch Daten darüber vor, welche eingebürgerten Arten invasiv geworden sind.

Die Zusammenstellung eines derart umfangreichen Datensatzes für so viele Pflanzenarten ermöglichte es den Forschern, die Zusammenhänge zwischen Genomgröße, Chromosomenzahl und Invasionserfolg zu analysieren. Eine Einschränkung bestand darin, dass die Chromosomenzahlen nicht für alle Arten verfügbar waren, was es in einigen Fällen unmöglich machte, genaue Ploidiewerte zu bestimmen. Dennoch bot der Umfang des Datensatzes eine enorme Möglichkeit, allgemeine Trends zu erkennen.

Kontrastierende Effekte in verschiedenen Invasionsstadien

Die Analyse ergab, dass Pflanzenarten mit kleinen Genomen eher außerhalb ihres natürlichen Verbreitungsgebiets eingebürgert werden. Eingebürgerte Arten können in der neuen Region ohne menschliches Eingreifen autarke Populationen bilden.

Anders verhielt es sich jedoch, wenn man die invasive Ausbreitung und die ökologischen Auswirkungen betrachtete. Große Genomgrößen und höhere Ploidiegrade boten einer eingebürgerten Art den Vorteil, sich zu einem problematischen Eindringling zu entwickeln, der sich schnell ausbreitet und Umweltschäden verursacht.

Die Forscher quantifizierten den Einbürgerungserfolg auf zwei Arten: ob eine Art irgendwo auf der Welt eingebürgert wurde und in wie vielen Regionen sie sich eingebürgert hatte. Sie untersuchten auch die Anzahl der Regionen, in denen eine Art invasiv geworden war.

Arten mit mittelgroßen Genomen wurden in den meisten Regionen der Welt eingebürgert oder invasiv. Große Genome verstärkten jedoch die Fähigkeit einer gebietsfremden Art, sich invasiv auszubreiten und sich negativ auf die heimische Artenvielfalt und Ökosysteme auszuwirken.

Die gegensätzlichen Effekte in den Phasen der Einbürgerung und der Invasion zeigen, dass Genomgröße und Ploidieniveau unterschiedliche Rollen bei der Entwicklung von eingeführten Arten zu problematischen Eindringlingen spielen.

Warum haben Genomgröße und Ploidie gegensätzliche Auswirkungen?

Die Ergebnisse legen einige Erklärungen nahe, warum kleine Genome die Einbürgerung fördern, während große Genome und eine hohe Ploidie die invasive Ausbreitung unterstützen.

• Kleine Genome ermöglichen eingeführten Pflanzen, sich schnell an neue Umweltbedingungen in den Regionen anzupassen, in die sie eingeführt werden. Diese schnelle Entwicklung verbessert ihre Fähigkeit, nachhaltige Populationen zu etablieren.
• Im Gegensatz dazu bieten große Genome und zusätzliche Chromosomensätze Merkmale, die eine invasive Ausbreitung begünstigen, wie z. B. kräftiges Wachstum, hohe Reproduktionsleistung und effiziente Verbreitung von Samen oder vegetativen Fragmenten.

Die beiden Faktoren interagieren – Arten mit relativ kleinen Genomen kombiniert mit einer höheren Ploidie scheinen in der Lage zu sein, die Vorteile für die Invasivität zu maximieren. Die kleinen Genome unterstützen die Anpassung. Gleichzeitig werden zusätzliche Chromosomen aufgeladen Wachstum und Fortpflanzung. Die Forscher fanden heraus, dass die Wahrscheinlichkeit einer Einbürgerung bei Polyploiden allein höher war als bei Diploiden, der höchste Einbürgerungserfolg jedoch bei Arten zu verzeichnen war, bei denen sowohl diploide als auch polyploide Individuen vorkommen. Sie schlagen vor, dass diese diploide-polyploide Kombination die Variabilität maximiert und ein größeres genetisches Potenzial für die Anpassung an neue Umgebungen bietet.

Die Schlüsselrolle der Genetik bei Pflanzeninvasionen

Diese Forschung zeigt, dass zwei grundlegende genetische Faktoren – Genomgröße und Ploidie – spielen eine wichtige, aber gegensätzliche Rolle dabei, Pflanzen zu erfolgreichen Eindringlingen zu machen. Ihre Auswirkungen ändern sich je nach Invasionsstadium. Kleine Genome unterstützen die Einbürgerung, indem sie eine schnelle Anpassung an neue Umgebungen ermöglichen. Große Genome und eine hohe Ploidie fördern jedoch die invasive Ausbreitung, indem sie Merkmale wie kräftiges Wachstum und Fortpflanzung bereitstellen. Diese neuen Erkenntnisse helfen zu erklären, warum einige Pflanzenarten zu problematischen Eindringlingen in Regionen außerhalb ihres natürlichen Verbreitungsgebiets werden. Die Ergebnisse zeigen auch die kontextabhängige Natur biologischer Invasionen, wobei sich der Einfluss von Artenmerkmalen und Genetik zwischen den Invasionsphasen verschiebt.

Die Studie zeigt deutlich, wie wertvoll es ist, umfangreiche globale Datensätze zu sammeln, um allgemeine Trends zu identifizieren. Die Zusammenstellung von Daten zu über 11,000 Pflanzenarten war entscheidend für die Aufklärung der Nuancen Beziehungen zwischen der Genomgröße, Ploidie und invasiver Erfolg. Das große Datenmengen Der Ansatz weist den Weg für ein besseres Verständnis und eine bessere Vorhersage der Invasionsbiologie.

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Pyšek, P., Lučanová, M., Dawson, W., Essl, F., Kreft, H., Leitch, IJ, Lenzner, B., Meyerson, LA, Pergl, J., van Kleunen, M., Weigelt , P., Winter, M. und Guo, W.-Y. (2023) „Die geringe Genomgröße und die Variation des Ploidiegrades begünstigen zwar die Einbürgerung von Gefäßpflanzen, schränken aber deren invasive Ausbreitung ein." New Phytologist, 239(6), S. 2389–2403. Verfügbar um: https://doi.org/10.1111/nph.19135.