Auf dem „Holzweg“: hoch konvergente Evolution von verholzten Brassicaceen verstehen

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Mummenhoff
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418452287

Holzpflanzen (Bäume und Sträucher) bedecken 30% der Landmassen der Erde und erfüllen wichtige Ökosystemdienstleistungen; z.B. puffern sie die Klimaveränderung durch Speicherung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre ab. Die Evolution von holzigen Pflanzen aus krautigen Vorfahren (abgeleitet holzig = derived woodiness), wie sie häufig bei Inselradiationen vorkommen (insular woodiness), aber auch auf dem Festland, faszinierte bereits Darwin bei seinem Besuch ozeanischer Inseln in den 1830er Jahren. Dieser Prozess ist nach wie vor nur unzureichend verstanden. Bestehende Hypothesen bzw. Erkenntnisse zu proximaten und ultimaten Ursachen von „derived woodiness“ konnten bisher nicht zu einem schlüssigen Erklärungsmodell integriert werden. Hier setzt die geplante Studie an. Anhand von Vertretern der Familie der Kreuzblütler als Modellgruppe verbindet unser innovativer und multidisziplinärer Ansatz evolutionäre und ökologische Modelle miteinander. Die Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) ist weltweit verbreitet und rund 10% der etwa 4000 Arten sind abgeleitet holzig, einige Vertreter werden bis zu 9m hoch. Vorläufige Ergebnisse aus molekular-systematischen Analysen innerhalb der Familie legen nahe, dass verholzte Formen wohl über 100 Mal unabhängig voneinander und unter sehr unterschiedlichen ökologischen Bedingungen entstanden sind, sowohl auf Inseln als auch auf dem Festland. Allerdings sind die phylogenetischen Beziehungen der Hauptentwicklungslinien innerhalb der gesamten Familie nach wie vor nicht ausreichend verstanden und die Evolution von verholzten Formen kann somit nicht familienweit rekonstruiert werden. Unser Forschungsantrag konzentriert sich auf drei Ansätze: (1) Auf der Basis einer molekular -datierten Phylogenie der ganzen Familie (hybridization-sequencing von 1000 repräsentativen Arten) werden wir die genaue Anzahl von Transitionen von krautigen zu holzigen Arten bestimmen. (2) Wir testen die Hypothese, ob sich die Ausbildung von Holzigkeit auf Diversifizierungsraten in den 100+ Brassicaceen-Linien mit holzigen Vertretern auswirkte. (3) Wir analysieren die Korrelation von verholzten Formen mit (paläo)klimatischen und edaphischen Parametern und generieren Hypothesen zu deren Einfluss auf die Evolution dieses Merkmals. Die Ergebnisse unseres Projektes sollten unser Verständnis der Evolution von holzigen Formen bei Angiospermen entscheidend vorantreiben und zurzeit bestehende „Gräben“ zwischen evolutionsbiologischen und ökophysiologischen Erklärungsansätzen schließen. Weiterhin stellen unsere Ergebnisse eine solide Grundlage für bevorstehende entwicklungsgenetische Studien dar, die in den identifizierten holzig-krautigen Brassicaceeen-Schwesterarten-Paaren nach den Schlüsselgenen zum Anschalten des „Holz-Entwicklungsweges“ suchen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande, Schweden, USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Stefan A. Rensing
• Kooperationspartner: Professor Ihsan Al-Shehbaz, Ph.D.; Professor Frederic Lens, Ph.D.; Professor Lachezar Nikolov, Ph.D.; Professor Dr. Alexander Zizka