Universität zu Köln

Mit der Beschleunigung von Umweltveränderungen im Anthropozän steht die Evolutionsbiologie vor der zentralen Herausforderung, zu verstehen, wie Populationen auf neuartige und sich rasch verändernde Bedingungen reagieren. Die adaptive Kapazität entscheidet darüber, ob Arten unter zunehmend variablen Selektionsdrücken bestehen oder divergieren können. Obwohl das adaptive Potenzial häufig aus phänotypischen Veränderungen oder stehender genetischer Variation abgeleitet wird, ist bislang unklar, welche evolutionären Faktoren die Maschinerie antreibt, die eine langfristige Anpassungsreaktion ermöglicht. In dieser Dissertation werden Arabidopsis-Arten als Modellsysteme verwendet, um die genetischen Grundlagen von Adaptation zu untersuchen. Im Fokus steht dabei, wie genetische Variation auf unterschiedlichen biologischen Ebenen – von Lebenszyklusmerkmalen über Genexpression bis hin zu genomischen Interaktionen – generiert und strukturiert wird. Besonderes Augenmerk gilt der Frage, wie die genetische Architektur das Tempo und die Vorhersagbarkeit evolutionärer Veränderungen beeinflusst. Die erste Studie zeigt, dass die Variation in der durch Hitze induzierten, sekundären Dormanz in Arabidopsis thaliana - ein ökologisch bedeutsames lebensgeschichtliches Merkmal – lokale Anpassung entlang klimatischer Gradienten widerspiegelt und zur Persistenz von Populationen unter Umweltunsicherheit beiträgt. In der zweiten Studie wird anhand von Genexpressionsdaten natürlicher Populationen von Arabidopsis lyrata deutlich, dass die erbliche Variation in der Expression weit verbreitet ist. Zugleich zeigt sich, dass ein erheblicher Anteil der Varianz nicht-additiv ist und durch frühere Selektion sowie genomische Eigenschaften geprägt wird. Das adaptive Potenzial auf molekularer Ebene wird somit weniger durch fehlende Variation begrenzt als durch funktionelle und selektive Einschränkungen. Die dritte Studie untersucht schließlich Arabidopsis lyrata Hybridpopulationen und zeigt, dass der genetische Hintergrund die Komponenten der genetischen Varianz tiefgreifend neu gestalten kann. Da hybride Ergebnisse häufig durch kontextabhängige Epistase bestimmt werden, hängt die Rolle von genetischer Admixtur für Anpassungsprozesse entscheidend davon ab, wie die Komponenten der genetischen Varianz innerhalb der genetischen Architektur reorganisiert werden. Insgesamt konzeptualisiert meine Dissertation das adaptive Potenzial als eine emergente Eigenschaft auf Populationsebene, die aus dem Zusammenspiel ökologischer Merkmale, genetischer Architektur, molekularer Regulation und des Umweltkontexts hervorgeht. Adaptives Potenzial hängt dabei nicht von der bloßen Menge vorhandener Variation ab, sondern von deren Struktur, Erblichkeit und Exposition gegenüber Selektion über evolutionäre Zeitskalen hinweg.

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