Evolutionsbiologie

Neue Blüten vom Urnerboden

Kentaro Shimizu pflückt auf einer Schweizer Alp Blumen, im Garten der Universität Irchel baut er japanischen Weizen an. Der Evolutionsbiologe will herausfinden, wie sich Pflanzen an den Klimawandel anpassen.

Andres Eberhard

Kentaro Shimizu
Kentaro Shimizu
Kentaro Shimizu: «Wenn sich das Klima verändert, entstehen auch neue Arten. Allerdings: Die Zahl der Arten, die aussterben, ist um ein Vielfaches grösser.» (Bild: Ursula Meisser)


«Kon in chi wa.» Kentaro Shimizu begrüsst eine Mitarbeiterin, die gerade Weizen erntet. Dann löst er einige Klammern und hebt das Plastik eines kleinen, durchlässigen Zelts. Aus dem Boden spriesst ein grünes, gänzlich unspektakuläres Kraut. «Es ist keine sehr schöne Pflanze», sagt Shimizu, «aber ich mag sie sehr.»

Arabidopsis kamtchatica heisst sie, eine besondere Schaumkresse-Art. Shimizu entdeckte sie vor zwanzig Jahren beim Wandern in den japanischen Bergen. Ihretwegen reiste er später nach Sibirien und Alaska. Er sammelte möglichst viele Exemplare, um sie zu untersuchen. Schliesslich nahm er sie mit an die UZH, wo er seit 2006 forscht, heute als Professor für Evolutionäre Biologie. Die Schaumkresse wächst keine hundert Meter von seinem Büro entfernt im Forschungsgarten des Irchelparks.

Für einen Hobbygärtner sieht die Pflanze, die der 46-jährige japanische Professor in Zürich erforscht, aus wie Unkraut. Doch unscheinbare Gewächse wie die Schaumkresse, aber auch Alpenblumen und Weizen können wichtige Informationen zu künftigen Herausforderungen liefern. Etwa dazu, wie Pflanzen auf die Klimaerwärmung reagieren. Oder ob wir noch genug zu essen haben werden, wenn die Temperaturen steigen. Shimizu und seine Kollegen forschen an den Grundlagen, um solche Fragen zu beantworten.

Shimizu schätzt vor allem die inneren Werte seiner Lieblingspflanze: «Arabidopsis kamtchatica verfügt über doppelte Gene.» Für die Erklärung bittet er in sein Büro. In einer leeren Ecke des ansonsten vollgekritzelten Whiteboards zeichnet er auf, was die Pflanze so speziell macht. «Die allermeisten Organismen vererben je ein Chromosom beider Elternteile. So wie wir Menschen», erklärt Kentaro Shimizu und malt einige Kringel. Kreuzen sich verschiedene Spezies, entsteht ein Zwitter, der sich nicht fortpflanzen kann. «Ausser», sagt er und beginnt eine neue Zeichnung, «die Pflanze vererbt jeweils beide Chromosomen beider Elternteile.» In diesem Fall könnten zwei unterschiedliche Pflanzen zu einer neuen Spezies verschmelzen. Falls dieser Genmix einen evolutionärer Vorteil hat, wird sie – ganz nach Darwin – überleben und sich verbreiten. Die Schaumkresse entstand vor zirka 64000 bis 145000 Jahren aus der Fusion zweier anderer Pflanzen. Sie ist eine dieser Pflanzen mit doppelten Geninformationen – in der Fachsprache nennt man diese Eigenschaft polyploid. Doch welchen Vorteil hat dieser Überfluss an genetischer Information? Die Antwort darauf fand Shimizu vor zwei Jahren, als es ihm gelang, das Genom der Schaumkresse zu entschlüsseln. «Wenn sich die Umweltbedingungen verändern, sind polyploide Pflanzen im Vorteil», sagt er.

Je mehr Gene also, desto besser? «Nein», denn bei stabilen Verhältnissen sei ein zu grosser genetischer Rucksack ein Nachteil. «Polyploide Pflanzen sind gute Generalisten, aber schlechte Spezialisten.» Polyploide Pflanzen gibt es relativ viele. Die meisten neuen Arten verschwinden allerdings wieder, weil sie sich nicht durchsetzen können.

Cardamine insueta ist das nicht passiert. Die Alpenblume wächst in den Schweizer Bergen und ist eine von bislang rund zehn neuen Spezies, die in den letzten 150 Jahren entdeckt wurden. «Die meisten Leute denken, dass Evolution über eine sehr lange Zeit hinweg stattfindet», sagt Kentaro Shimizu und zeigt eine Blüte mit violetten Blättern. «Diese Blume aber beweist das Gegenteil.» Cardamine insueta ist ein Lehrbuchbeispiel dafür, wie sich Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen anpassen können. Denn es lässt sich genau rekon­struieren, wie und warum sie entstanden ist. Die Blume wächst ausschliesslich auf dem Urnerboden, der grössten Alp der Schweiz, unterhalb des Klausenpasses. Sie entstand, weil die Menschen den Wald holzten und begannen, die Alp zu bewirtschaften. Entdeckt wurde sie vom Botaniker Elias Landolt. Shimizu und seinen Forscherkollegen gelang es schliesslich, ihr Genom zu entschlüsseln. Sie zeigten, dass die Blume eine Kreuzung einer Pflanze aus feuchter und einer aus trockener Umgebung ist.

Zeitalter des Massensterbens

Die Alpenblume vom Urnerboden beweist, dass mit der Klimaveränderung nicht nur Arten sterben, sondern auch neue entstehen. Allerdings: Die Zahl der Arten, die aussterben, ist um ein Vielfaches grösser. «Dass vermehrt polyploide Arten entstehen, ist ein Zeichen dafür, dass wir uns in einem Zeitalter des Massenaussterbens befinden», sagt Shimizu. Genreiche Pflanzen hätten auch bei früheren Massenaussterben einen Aufschwung erlebt – beispielsweise, als die Dinosaurier verschwanden.

Draussen im Forschungsgarten des Irchelparks wächst nicht nur Shimizus Lieblingspflanze, sondern auch eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel der Weltbevölkerung: Weizen. Beim Besuch holt eine japanische Forscherkollegin gerade die Ernte ein. Werden hier kulinarische Experimente durchgeführt? Shimizu lacht und stellt klar: «Auch Weizen ist ein Polyploid. Kürzlich konnten wir das Erbgut entschlüsseln.» Demnächst publiziert Shimizu eine Studie dazu in der renommierten Fachzeitschrift «Nature».

Robuste Weizensorten

Dass die Wissenschaftler mit dem Getreide forschen, hat einen guten Grund: Der Klimawandel dürfte die Ernteerträge verringern, was weltweit zu Hungersnöten führen könnte. «Ausser», sagt Shimizu, «wir finden eine Weizensorte, die auch bei höheren Temperaturen genug Ernte abwirft.» Rund um den Erdball arbeiten Wissenschaftler deshalb daran, die Stärken und Schwächen verschiedener Weizensorten zu analysieren. Shimizu ist einer von ihnen und zuständig für die japanische Sorte Norin 61. In ihr sieht der Biologe besonderes Potenzial. Denn: «Es ist eine sehr widerstandsfähige Sorte, sie wächst sowohl in kalter wie auch in warmer Umgebung.»

Einige Ähren im Forschungsgarten sind nur durch ein blaues Vogelschutznetz vom freien Himmel getrennt, andere wachsen in einem durchsichtigen Plastikzelt. Dort ist es um ein bis zwei Grad wärmer – eine Simulation für die Klimaerwärmung. Steht man länger im Garten, hört man von Zeit zu Zeit ein Klicken. Es kommt von kleinen Kameras, die an halbmondförmigen Stangen angebracht sind. «Sie überwachen das Wachstum der Pflanzen», erklärt Shimizu. Ausgewertet werden die Bilder später am Computer, mit Hilfe einer intelligenten Software.

Wie reagiert Norin 61 auf wärmere Temperaturen? Die ersten, noch vorläufigen Ergebnisse sind beunruhigend. Die Pflanzen im geringfügig wärmeren Zelt scheinen 30 Prozent weniger Getreide zu produzieren. «Dabei sah es zunächst danach aus, als würden die höheren Temperaturen helfen», erzählt Shimizu. Die Pflanzen im Zelt wuchsen anfangs nämlich schneller. Danach hätten sie jedoch zu früh damit begonnen, Ähren und Blüten zu bilden. «Sie deuteten die Signale, als wäre es schon Frühling.» Um die Ergebnisse zu überprüfen, wird Shimizu das Experiment wiederholen.

Die Resultate sind eine Warnung vor dem Klimawandel. Für Shimizu sind sie aber auch ein Grund, weiter zu forschen. Denn sie zeigen, dass man wohl eine neue Weizensorte wird züchten müssen, damit der Klimawandel nicht auch zu Hungerkrisen führt. Dazu braucht es noch mehr Grundlagenforschung wie die von Shimizu. «Es gibt Tausende Dinge, die wir noch nicht wissen.» Zum Beispiel: Weshalb sind manche Sorten robuster gegenüber wärmeren Temperaturen als andere? Die Antwort dürfte in den Genen liegen. Davon hat Weizen reichlich – rund 16 Milliarden Basenpaare sind es – fünfmal so viel wie der Mensch.

 

Pflanzenzucht: Einkorn und Emmer

Weizen ist neben Reis und Mais das Grundnahrungsmittel der Weltbevölkerung. Er liefert knapp 20 Prozent der Kalorien und Proteine, die Menschen weltweit verbrauchen. Was viele nicht wissen: Der Mensch hat die Geschichte des Getreides tatkräftig mitgeschrieben. Weizen gehört zu den ersten Pflanzen, die der Mensch domestiziert hat. Bereits vor über 10000 Jahren züchteten Menschen die ursprünglichen Weizenarten Einkorn und Emmer. Beim Emmer weiss man heute, dass er das Resultat einer natürlichen, zufälligen Kreuzung zweier Süssgräser ist. Doch erst indem Menschen den wilden Emmer gezielt züchteten, kreuzte sich dieser mit einem Wildgras. Nun entstand Weichweizen – die Grundlage für unseren Brotteig. Auch Hartweizen, aus dem wir heute Pasta machen, stammt ursprünglich vom Emmer ab. Jedoch brauchte es auch dafür einiges an Züchtung. Ohne Menschen gäbe es also das heutige Brot- und Pastagetreide nicht. «Viele Leute glauben, dass Dinge nur gesund sind, wenn sie natürlich sind», sagt Kentaro Shimizu. Die Geschichte des Weizens zeige aber, dass der Einfluss des Menschen kaum von natürlichen Vorgängen zu trennen ist: «Auch der Mensch ist Teil des Ökosystems.» Weizen wurde auch in der Neuzeit gezielt gezüchtet. Im Rahmen der grünen Revolution ab den 1960er-Jahren wurden Hochleistungssorten geschaffen, welche die Erträge vervielfachten und Millionen Menschen in Entwicklungsländern vor dem Hungertod bewahrten. Wenn nun also Wissenschaftler eine neue Weizensorte schaffen wollen, die robust ist gegen den Klimawandel, ist das bloss die Fortsetzung einer jahrtausendealten Tradition.

Andres Eberhard ist freischaffender Autor

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