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Modelle für die Ursachen und Folgen innerartlicher Chemodiversität bei Pflanzen in einer sich ändernden Umwelt

Chemodiversität bei Pflanzen entsteht durch ein komplexes Zusammenspiel von molekularen, ökologischen und evolutionären Prozessen. Ziel der ersten Förderperiode war ein erstes quantitatives Theoriegerüst für die evolutionäre Entstehung und Erhaltung von Chemodiversität. Ein Literatur-Review der existierenden Modelle (mit P5) ergab viele verbale Modelle, aber bisher nur wenige mathematische Modelle und Computersimulationen. Um diese Lücke zu schließen, haben wir zwei komplementäre Modellieransätze entwickelt. Erstens haben wir mit P3 und P8 ein einfaches „Proof-of-concept“-Modell entwickelt, in dem die An- oder Abwesenheit verschiedener Metaboliten direkt im Genom codiert ist. Die Ergebnisse zeigen, dass zeitliche Schwankungen in Herbivorie innerartliche Chemodiversität erhalten können (innerhalb und zwischen Individuen), wenn die genetische Dominanz der Metabolit-Anwesenheitsallele für die Aktivität gegen Herbivoren größer ist als ihre Dominanz für die Kosten. In einem zweiten individuenbasierten Ansatz gingen wir mechanistischer vor und ließen die individuelle Metabolitenzusammensetzung aus einem Modell für das Genom, das Proteom und die Enzymkinetik hervorgehen. Auch in diesem Modell spielte zeitliche Variation in Herbivorie eine wichtige Rolle und wir beobachteten historische Kontingenz. Schließlich haben wir mit P5, P6 und P8 eine erste virtuelle Tanacetum-Pflanze entwickelt, d.h. ein Simulationsmodell, das Daten zur genetischen Basis der Blatt-Terpenoid-Chemodiversität und zu Interaktionen mit Herbivoren und Bestäubern zusammenbringt. Eine erste virtuelle Solanum-Pflanze (mit P3, P4) wird noch im Rahmen der ersten Förderperiode entwickelt.

In der beantragten zweiten Förderperiode möchten wir unsere Modelle zu den Ursachen von Chemodiversität erweitern und zudem die Folgen von Chemodiversität in einer variablen biotischen und abiotischen Welt erforschen. Erstens werden wir untersuchen, wie Pflanzenpopulationen mit unterschiedlicher Chemodiversität auf Veränderungen in Herbivor- und Bestäubergemeinschaften reagieren. Zweitens werden wir untersuchen, welche Rolle Chemodiversität für Pflanzenpopulationen im Klimawandel spielt (mit Input von P10 und COR). In beiden Fällen erwarten wir einen Portfolio- oder Puffereffekt, d.h. dass Populationen mit größerer Chemodiversität in einer variablen Umwelt weniger stark fluktuieren und evtl. auch im Durchschnitt größer sind. Drittens werden wir mit P1-P8 die virtuelle Populus-Pflanze erstellen und die virtuellen Tanacetum- und Solanum-Pflanzen erweitern, indem wir Daten aus den sequenzierten Genomen, aus neuen Kreuzungsversuchen und den Freilandversuchen integrieren. Viertens werden wir zum gemeinsamen Chemodiversität-Plastizität-Experiment (COR) beitragen, indem wir die auf einer kurzen Zeitskala gemessenen experimentellen Ergebnisse in unsere virtuellen Pflanzen einspeisen und so langfristige Effekte von Chemodiversität unter wiederkehrenden Episoden von Trockenstress und Herbivorie abschätzen.