Genetic processes in Scots pine (Pinus sylvestris L.) in the Chernobyl exclusion zone

Abstract

Pflanzen müssen aufgrund ihrer Immobilität ungünstige Umweltbedingungen tolerieren und verschiedene Anpassungsmechanismen aktivieren, um unter Stressbedingungen zu überleben und erfolgreich zu reproduzieren. Oft ist es schwierig, die Stressantwort eines Organismus oder einer Population zu entdecken, da sich die Umweltbedingungen nur sehr langsam verändern können oder die Stressantwort der Pflanzen erst verzögert erfolgt. Somit bieten Untersuchungen unter extremen Umweltbedingungen, einmalige Gelegenheiten, Anpassungsmechanismen zu analysieren. Gebiete mit starkem anthropogenem Einfluss auf die Umwelt, stellen ideale Orte dar, um Anpassungs- und Selektionsprozesse zu studieren. Seit vielen Jahrzehnten ist bekannt, dass ionisierende Strahlung ein extrem schädlicher Stressfaktor ist. Radioaktive Strahlung bewirkt eine starke Schädigung der DNA. Dies führt zu einem Verlust der Fitness in der gegenwärtigen Generation und zu vererbbaren Mutationen, die erst in den späteren Generationen sichtbar werden. Untersuchungen zum Einfluss von Radioaktivität auf verschiedenen Ebenen eines Organismus, wie etwa von der DNA-Ebene eines einzelnen Individuums bis hin zur Populations-Ebene, können helfen, den Mechanismus der Stressantwort auf sich ändernde Umweltbedingungen besser zu verstehen. Nach dem Reaktorunfall 1986 im Kernkraftwerk Tschernobyl wurden große Gebiete mit radioaktivem Material kontaminiert. Die Sperrzone in Tschernobyl wurde somit ein natürliches Labor, um den Einfluss von Radioaktivität auf die Biozönose zu untersuchen. Aufgrund ihrer hohen Sensitivität gegenüber Strahlenbelastung und ihrer Dominanz in den Waldökosystemen der Sperrzone ist Pinus sylvestris eine der meist untersuchten Spezies bezüglich der Auswirkungen von Radioaktivität. Mit Hilfe von kern-kodierten Microsatelliten- (SSRs) und AFLP-Markern wurden Mutationsraten und Selektionsprozesse in Kiefern (Pinus sylvestris) unterschiedlichen Alters und mit unterschiedlicher Strahlenbelastung, die in der Sperrzone beerntet wurden, vergleichend zu Kontrollkollektiven analysiert. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass über das gesamte Genom von P. sylvestris verteilt Mutationen stattfinden, ebenso konnten Selektionsprozesse unter den Kiefern aus der Sperrzone von Tschernobyl beobachtet werden. Sollten die meisten Mutationen schädlich sein, oder die Fitness der Organismen reduzieren, dann müssen Kiefern Mechanismen aktivieren, die schützend- reparierend- und anpassungsrelevant sind, um ein Überleben unter permanenter radioaktiver Strahlung zu ermöglichen. Bisher ist es schwierig zu unterscheiden, welcher Teil der DNA von Mutationen betroffen oder von Selektion beeinflusst wird. Weitere Untersuchungen von P. sylvestris aus der Sperrzone von Tschernobyl könnten neue Informationen über schnelle Anpassungsmechanismen von langlebigen Pflanzen an extreme Veränderungen der Umwelt liefern.