Neue genetische Uhr entdeckt älteste bekannte Meerespflanze

Mit Hilfe einer neuartigen genetischen Uhr hat ein Forschungsteam aus Kiel, London, Oldenburg und Davis, Kalifornien zum ersten Mal das Alter eines großen marinen Pflanzenklons bestimmt. Dieser Seegras-Klon aus der Ostsee stammt aus der Zeit der Völkerwanderung vor 1400 Jahren. Für die Datierung mit Hilfe molekularer Uhren werden Gensequenzen verglichen. Eine wichtige Rolle spielen dabei ungerichtete, zufällige Mutationen in der Erbinformation, die im Laufe der Zeit so regelmäßig auftreten, wie Uhren ticken. Die neu entwickelte Uhr kann auf viele andere Arten angewendet werden, von Korallen über Algen bis hin zu Pflanzen wie Schilf oder Himbeeren. Ihre Arbeit veröffentlichen die Wissenschaftler:innen heute in der Fachzeitschrift Nature Ecology and Evolution.

„Die nicht-geschlechtliche vegetative Vermehrung als alternative Fortpflanzungsart ist in der Tier-, Pilz- und Pflanzenwelt weit verbreitet“, erklärt Projektleiter Dr. Thorsten Reusch, Professor für Marine Ökologie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Diese so genannten „klonalen Arten“ produzieren durch Verzweigung oder Knospenbildung genetisch ähnliche Nachkommen und erreichen oft die Größe eines Fußballfeldes oder mehr. Diese Nachkommen sind jedoch genetisch nicht völlig identisch. Frühere Arbeiten eines Teams unter der Leitung von GEOMAR-Forschenden hatten bereits gezeigt, dass sich somatische Mutationen, also solche, die im Laufe des Lebens entstanden sind, in vegetativen Nachkommen anhäufen, ein Prozess, der Ähnlichkeiten mit Tumorwachstum aufweist. Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Prof. Dr. Reusch, Dr. Benjamin Werner (Queen Mary University London) und Prof. Dr. Iliana Baums (Helmholtz Institut für Funktionelle Marine Biodiversität an der Universität Oldenburg, HIFMB) diesen Mutations-Akkumulationsprozess genutzt und eine neuartige molekulare Uhr entwickelt, die das Alter eines jeden Klons mit hoher Präzision bestimmen kann.

Forschende um Prof. Dr. Reusch wandten die neue Uhr auf einen weltweiten Datensatz des weit verbreiteten Seegrases Zostera marina (Großes Seegras) an, der vom Pazifik bis zum Atlantik und Mittelmeer reicht. Besonders in Nordeuropa fand das Team Klone mit einem Alter von mehreren hundert Jahren, vergleichbar mit dem Alter großer Eichen. Der älteste identifizierte Klon war 1402 Jahre alt und stammte aus der Ostsee, aus der Zeit der Völkerwanderung. Dieser Klon erreichte dieses hohe Alter trotz einer rauen und wechselhaften Umwelt. Damit übertrifft der Seegras-Klon das Alter des Grönlandhais oder der Arktischen Islandmuschel, die nur einige hundert Jahre alt werden.

Diese neuen Schätzungen des Alters und der Langlebigkeit klonaler Arten schließen eine wichtige Wissenslücke. Insbesondere in marinen Lebensräumen können sich viele Arten, die grundlegende Lebensräume bilden, wie Korallen oder Seegras, vegetativ vermehren, und ihre Klone können sehr groß werden. Die kontinuierliche Produktion kleiner, genetisch identischer, aber physisch vom Elternklon getrennter Sprosse oder Fragmente bedeutet, dass Alter und Größe bei diesen Arten voneinander getrennt sind. Die neue Studie bietet nun ein Werkzeug, um diese Klone mit hoher Genauigkeit zu datieren. „Solche Daten sind wiederum Voraussetzung, um eines der langjährigen Rätsel der Evolutionsbiologie zu lösen, nämlich warum solche großen Klone trotz variabler und dynamischer Umgebungen überhaupt existieren können“, sagt Thorsten Reusch.

Die Arbeit konnte beginnen, als ein Seegras-Genom von hoher Qualität zur Verfügung stand. Ein weiterer Schlüsselfaktor für die Studie war, dass Kolleg:innen von der University of California, Davis, Vereinigte Staaten von Amerika (UC Davis) einen Seegras-Klon 17 Jahre lang in ihren Kulturtanks gehalten hatten, der Referenzwerte lieferte und quasi als Kalibrierungspunkt dienen konnte. „Diese Arbeit zeigt, wie interdisziplinäre Interaktionen zwischen Krebs-Evolutionsbiologen und Meeresökologen zu neuen Erkenntnissen führen können“, sagt Dr. Benjamin Werner, Dozent für Mathematik und Krebsevolution an der Queen Mary University of London (QMUL), der sich auf die somatische Evolution von Tumoren konzentriert, die sich ebenfalls klonal entwickeln. Dr. Iliana Baums, Professorin für Molekularökologie am Helmholtz Institut für Funktionelle Marine Biodiversität (HIFMB) an der Universität Oldenburg, fügt hinzu: „Wir können diese Ansätze nun auf gefährdete Korallen anwenden, um effektivere Schutzmaßnahmen zu entwickeln, die wir angesichts der beispiellosen Hitzewellen, die die Korallenriffe bedrohen, dringend benötigen.“

 „Wir erwarten, dass andere Seegrasarten und ihre Klone der Gattung Posidonia (Neptungras) in Mittelmeer und vor der australischen Küste, deren Ausbreitung sich über mehr als zehn Kilometer erstrecken, noch viel höhere Alterswerte aufweisen und damit die mit Abstand ältesten Organismen der Erde sind,“ sagt Thorsten Reusch. Diese werden die nächsten Untersuchungsobjekte.

Originalpublikation:

Yu, L., Renton, J., Burian, A. et al. A somatic genetic clock for clonal species. Nat Ecol Evol (2024). DOI: 10.1038/s41559-024-02439-z

Förderung:

Die Studie wurde vom Human Frontiers of Science Program (HFSP) finanziert. Das Programm fördert die internationale Zusammenarbeit in der Grundlagenforschung zur Aufklärung der komplexen und ausgeklügelten Mechanismen lebender Organismen.