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Genetische Vielfalt der Wasserlinse Vorteil Entengrütze: geringe Mutationsrate

| Autor/ Redakteur: Svenja Ronge* / Christian Lüttmann

Sie ist klein, grün und zahlreich: Die Wasserlinse – auch als Entengrütze bekannt – überzieht schnell ganze Teiche oder Bachabschnitte. Wie Forscher der Universität Münster nun nachgewiesen haben, ist die Pflanze jedoch genetisch eher einfältig. Die aktuelle Studie zeigt Zusammenhänge von genetischer Vielfalt, Mutationsrate und Populationsgröße auf.

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Die Wasserlinse, auch Entengrütze genannt, bevorzugt ruhige Gewässer.
Die Wasserlinse, auch Entengrütze genannt, bevorzugt ruhige Gewässer.
(Bild: Klaus J. Appenroth)

Münster – Für Enten und Schnecken ist sie ein Leckerbissen, Teichbesitzern ist sie manchmal ein Dorn im Auge: die Wasserlinse, besser bekannt als Entengrütze. Für Forscher sind die kleinen und schnell wachsenden Pflanzen von großem Interesse, nicht zuletzt, weil sie auch industriell genutzt werden – zum Beispiel, um Abwässer zu reinigen oder Energie zu gewinnen.

In einer aktuellen Studie hat sich ein internationales Forscherteam aus Münster, Jena, Zürich und dem indischen Kerala das Erbgut einer speziellen Entengrützen-Art, der Vielwurzeligen Teichlinse, genauer angesehen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die genetische Vielfalt der Entengrütze sehr niedrig ist. „Das ist insofern bemerkenswert, als dass ihre Populationsgröße wiederum sehr groß ist – in einem einzigen Teich können sich zum Beispiel Millionen von Individuen befinden“, sagt Shuqing Xu, Professor für evolutionäre Ökologie der Pflanzen an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und Erstautor der Studie.

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Große Population – geringe Mutationsrate

Obwohl Mutationen die Grundlage für evolutionäre Veränderungen sind, sind sie häufig eher schädlich für die Gesundheit der Lebewesen. Evolutionsforscher haben daher die Hypothese aufgestellt, dass die natürliche Selektion bei Arten mit großen Populationen die Mutationsrate so gering wie möglich hält.

Dieser Hypothese nach könnte eine Spezies mit großer Population unter bestimmten Bedingungen eine sehr niedrige Mutationsrate entwickeln – das ginge umgekehrt auch mit einer geringen genetischen Vielfalt einher. Bisher hatten Wissenschaftler diesen Zusammenhang allerdings bei Eukaryoten noch nicht zeigen können. Einer der Gründe hierfür ist, dass Mutationsraten nur schwer experimentell zu messen sind.

Genetisch nicht sehr vielfältig

Dieser experimentellen Herausforderung stellte sich aber ein Team von Pflanzenforschern um Dr. Meret Huber vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und von der WWU. Die Forscher nahmen Proben der Vielwurzeligen Teichlinse (Spirodela polyrhiza) aus 68 Gewässern, die über die ganze Erde verteilt waren, und lasen jeweils die DNA-Sequenzen des gesamten Erbguts aus. Sie fanden heraus, dass die Proben entsprechend ihrer geografischen Herkunft in vier genetische Gruppen unterteilt werden konnten: Amerika, Europa, Indien und Südostasien. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die genetische Vielfalt der Spezies einen der niedrigsten Werte aufweist, die jemals bei mehrzelligen Eukaryoten erhoben wurden.

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Da die genetische Vielfalt auch von der Mutationsrate und der so genannten effektiven Populationsgröße bestimmt wird, schätzten die Wissenschaftler daraufhin die Anzahl der Mutationen innerhalb einer Generation und berechneten die Populationsgröße. Zusätzlich führten sie Freiluftexperimente durch. Sie fanden heraus, dass die Mutationsrate der untersuchten Entengrütze die niedrigste war, die je für vielzellige Eukaryoten bestimmt wurde. Wie erwartet, war dagegen die geschätzte effektive Populationsgröße groß.

Einblicke in die Evolution

Die Forscher vermuten, dass die enorme Populationsgröße der Entengrütze und die dadurch großen Selektionsmöglichkeiten im Laufe der Evolution dazu geführt haben, die Mutationen auf ein Minimum zu reduzieren. Das kann wiederum die geringe genetische Vielfalt erklären. „Durch die Ergebnisse erhalten wir neue Einblicke, wie und warum sich die genetische Diversität unter verschiedenen Spezies unterscheidet“, sagt Erstautor Xu. „Unsere Studie zeigt, wie wichtig die Schätzungen der Mutationsrate sind, um die Muster der genetischen Vielfalt bei unterschiedlichen Spezies zu erklären“, ergänzt Huber.

Die Ergebnisse sind den Forschern zufolge für viele weitere Studien über die Evolution von Pflanzen relevant, da sich zum Beispiel viele Kulturpflanzen auf ähnliche Weise fortpflanzen. Darüber hinaus können die Ergebnisse die zukünftige Nutzung der Entengrütze beschleunigen – sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Industrie.

Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern arbeiten die Wissenschaftler derzeit daran, das Erbgut von noch mehr Proben zu analysieren und weitere Versuche unter Freiluftbedingungen durchzuführen. So möchten sie herausfinden, welche weiteren Faktoren für die Evolution der Entengrütze eine Rolle gespielt haben könnten.

Originalpublikation: S. Xu et al.: Low genetic variation is associated with low mutation rate in the giant duckweed. Nature Communicationsvolume 10, Article number: 1243 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-09235-5

* S. Ronge, Westfälische-Wilhelms Universität Münster, 48149 Münster

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