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Ökosysteme

Ein einziges Gen als Schlüsselfaktor

Pflanze
Ackerschmalwand mit Blattläusen und Blattlauswespe. © Matthias Furler

Schon die Veränderung eines einzigen Gens kann ein ganzes Ökosystem beeinflussen, wie Forscher bei einem genetisch-ökologischen Experiment herausgefunden haben. In diesem veränderte die Mutation nur eines Pflanzengens das Überleben von gleich mehreren Blattlausarten und ihren Parasiten – und führte im Extremfall zum Zusammenbruch der gesamten Nahrungskette. Die Wirkung dieses Schlüsselgens unterstreicht damit, wie fragil Ökosysteme sein können.

Vor mehr als fünfzig Jahren entdeckte der US-Ökologe Robert Paine an der Küste eines felsigen Gezeitenbeckens, dass sich Struktur und Funktion eines Ökosystems dramatisch verändern können, wenn eine einzige Art entfernt wird. Im Falle des Gezeitenbeckens waren es Seesterne, die dort als Schlüsselart fungierten. Erst ihre Anwesenheit und ihre Rolle als Top-Prädator in der Nahrungskette des felsigen Ökosystems erhielten die Koexistenz verschiedener Arten aufrecht.

Mini-Ökosystem im Test

Doch es geht sogar noch spezieller: Ein Team um Matthew Barbour von der Universität Zürich hat herausgefunden, dass auch schon eine Mutation in einem einzigen Gen die Struktur und Funktion eines Ökosystems dramatisch verändern kann. Für ihre Studie hatten sie ein experimentelles Ökosystem im Labor untersucht. Dieses bestand aus der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer gängigen Modellpflanze, als Basis des Nahrungsnetzes. Die nächste Ebene bildeten Pflanzenfresser in Form von zwei Arten von Blattläusen, dazu kam als Räuber die parasitische Wespe Diaeretiella rapae, deren Larven sich in den Blattläusen entwickeln und diese dadurch töten.

Im Rahmen des Experiments untersuchten Barbour und seine Kollegen nun, wie sich das Gleichgewicht dieses Mini-Ökosystems verändert, wenn das Erbgut der Pflanze manipuliert wird. Dafür deaktivierten sie bei der Ackerschmalwand jeweils eines von drei für den chemischen Abwehrstoff Glucosinolat verantwortlichen Gene und testeten in verschiedenen Versuchsansätzen, wie sich die mutierten Pflanzen einzeln oder gemeinsam auf die Blattläuse und ihre Parasiten auswirkten.

Ein Gen – große Wirkung

Es zeigte sich: Die künstliche Mutation an nur einem Gen reichte schon aus, um das kleine Ökosystem fundamental zu beeinflussen. Je nachdem, welches Gen verändert wurde, kam es zum Absterben von Blattläusen und in der Folge der Blattlauswespen oder zu Verschiebungen im Verhältnis der beiden konkurrierenden Arten. Die Veränderung eines Gens erwies sich dabei als besonders günstig: „Diese Mutation im AOP2-Gen beeinflusste nicht nur die Chemie der Pflanze, sondern ließ sie auch schneller wachsen. Das wiederum förderte die Koexistenz von Pflanzenfressern und Raubtieren und verhinderte so den Zusammenbruch des Ökosystems“, berichtet Barbour.

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Damit fungierte das AOP2 als Schlüsselgen für das gesamte experimentelle Ökosystem und beeinflusste das Fortbestehen von interagierenden Arten in der gesamten Nahrungskette. Nach Ansicht der Wissenschaftler unterstreicht dies, wie fragil das Gleichgewicht ökologischer Systeme sein kann: „Wir fangen gerade erst an zu verstehen, welche Folgen genetische Veränderungen für das Zusammenspiel und die Koexistenz von Arten haben“, sagt Barbour. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass der derzeitige Verlust der genetischen Vielfalt kaskadenartige Auswirkungen haben kann, die zu abrupten und katastrophalen Veränderungen im Fortbestand und in der Funktionsweise von Land-Ökosystemen führen können.“

Quelle: Universität Zürich; Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abf2232

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