Natürliche Variation, molekulare Mechanismen und ökologische Rolle der Metall-Hyperakkumulation in Arabidopsis halleri

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Stephan Clemens; Professorin Dr. Ute Krämer; Professorin Dr. Caroline Müller
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Evolution, Anthropologie ; Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 197968016

Der Kreuzblütler Arabidopsis halleri zeigt extreme Anpassungen und ist in der Lage, das essentielle Metall Zink (Zn) und das toxische Metall Cadmium (Cd) zu hyperakkumulieren in Konzentrationen, die mehr als hundertfach über denen in anderen Pflanzen liegen. Zudem kann A. halleri metallreiche Standorte besiedeln. Wir haben die natürliche Diversität von A. halleri im Verbreitungsraum Europa erfasst. Analyse von 21 Elementen in Pflanzen- und Bodenproben, sowie Daten zu pflanzlichem Entwicklungsstand, Habitat-Charakteristika und Klima ergeben den grössten Feld-Datensatz seiner Art. Unsere Analyse zeigt speziesweite Zn-Hyperakkumulation, eine stark von der biogeographischen Region beeinflusste Variation der Cd-Akkumulation und erstmalig Blei (Pb)-Hyperakkumulation in A. halleri. Mit über 900 Genotypen aus mehr als 170 Fundstellen haben wir eine Gewächshaus-Sammlung aufgebaut, die bezüglich des Fundorts umfassender charakterisiert ist als jede andere. Anhand der Phänotypisierung dieser Kollektion unter Standardbedingungen übersteigt die Variation in den Elementkonzentrationen alles für andere Pflanzenarten Dokumentierte, insbesondere für Zn und Cd. In Individuen von metallreichen Standorten ist die Metallakkumulation offenbar partiell unterdrückt. Die ökologische Bedeutung der Metall-Hyperakkumulation wird im Schutz gegen Fraßfeinde vermutet, was wir durch mehrere Laborversuche übereinstimmed bestätigen konnten, u.a. auch mit am Standort eingefangenen Insekten. Wir haben eine Kerngruppe (Core Collection) von 28 phänotypisch diversen Individuen für die detaillierte physiologische, molekulare und ökologische Analyse ausgewählt. Unser Ziel ist 1. die der natürlichen Variation zugrunde liegenden physiologischen und molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, und 2. die ökologische Bedeutung der Herbivor-Abwehr durch Metalle, nun auch unter Einbeziehen von Blei, weiter aufzuklären. Nach Anzucht der Core Collection unter verschiedenen edaphischen Bedingungen werden wir Wege der Metalltranslokation vergleichend untersuchen. Metallakkumulation wird zusammen mit der Biosynthese von Glucosinolaten, der für Kreuzblütler dominanten Form der chemischen Verteidigung, analysiert, um Variation in Verteidigungsstrategien zu verstehen. Umfassende Transkriptom-Studien von Pflanzen der Core Collection und die Re-Sequenzierung des Genoms zweier extremer Individuen werden zusammen mit dem bereits etablierten Wissen die Auswahl von Genen leiten, welche auf ihren Beitrag zur natürlichen Variation der Hyperakkumulation getestet werden sollen. Hierzu werden transgene Linien erzeugt und auf nativen A. halleri-Böden getestet. Weiterhin soll durch Experimente mit Genotypen unterschiedlicher Metallverteilung und transgenen Linien die Bedeutung der Metall-Hyperakkumulation für die Verteidigung gegen saugende Insekten, wie z.B. Blattläuse, analysiert werden. Unser Ziel ist, die entscheidenden Schritte in der Evolution der Anpassung von A. halleri an eine extreme Umwelt aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1529: Evolutionary plant solutions to ecological challenges: Molecular mechanisms underlying adaptive traits in the Brassicaceae s.l. (Adaptomics)