Optimale groeiplek van de plant zandraket is opgeschoven door klimaatverandering, blijkt uit grootschalig experiment

Een wereldwijd, grootschalig experiment met de zandraket (Arabidopsis thaliana) toont aan dat de optimale groeiplek van deze planten door klimaatverandering is opgeschoven. De studie, geleid door onderzoekers uit onder andere Berkeley en Stanford en vandaag gepubliceerd in Science, suggereert ook dat plantenpopulaties zich in potentie snel kunnen aanpassen aan klimaatverandering. “Dat is bemoedigend,” zeg Utrechtse plantenonderzoeker Martijn van Zanten, die samen met bio-informaticus Basten Snoek meedeed aan het onderzoek. “Maar de voorwaarde is dan wel dat er genoeg genetische variatie is.”

Snoek en Van Zanten droegen bij aan het project door twaalf proefveldjes in de Botanische Tuinen van de Universiteit Utrecht in te zaaien met een mix van zandraketzaden en de ontwikkelingen van deze ‘plotjes’ gedurende meerdere jaren goed te volgen. De zaden waren afkomstig van nakomelingen van zandraketplanten die ooit uit de natuur werden verzameld, op 231 verschillende locaties verspreid over het hele noordelijk halfrond. Deze planten groeiden oorspronkelijk op allerlei uiteenlopende plekken en in allerlei klimaten: van de subtropen tot aan de poolcirkel.

Evolutie-experiment

Voorafgaand aan het experiment werden alle planten samen in Duitsland opgegroeid, allemaal onder precies dezelfde omstandigheden. Daar werden hun zaden geoogst. Onderzoekers zaaiden vervolgens elk 12 plotjes in met exact dezelfde zadenmix, op 43 verschillende locaties in uiteenlopende klimaten verspreid over het noordelijk halfrond, waaronder de Utrechtse Botanische Tuinen. De plantjes lieten ze simpelweg opgroeien, waarbij de weer- en klimaatomstandigheden nauwgezet in kaart werden gebracht.

Hoe plantenpopulaties evolueren is voorspelbaar en gerelateerd aan de omgeving.

“Onder invloed van weer en klimaat verdwijnen sommige varianten uit de zadenmix, degenen die minder goed aan die omstandigheden zijn aangepast, in de loop van de tijd. Anderen doen het na een paar generaties relatief juist steeds beter. Dit is real-time evolutie door natuurlijke selectie: de best aangepasten aan het lokale weer en klimaat blijven over en nemen in aantallen toe. Op deze schaal is dit nooit eerder gedaan met planten,” licht Van Zanten toe.

Iedere twee weken verzamelen

De onderzoekers verzamelden iedere twee weken een bloemetje van alle planten die bloeiden in de plotjes. Per plotje werden de bloemetjes ‘gesequenced’: de genetische code van de bloeiende planten werd in kaart gebracht. “Zo kregen we iedere twee weken een beeld van alle varianten die in ieder plotje te vinden waren,” geeft Snoek aan. “En dit werd op alle plekken gedaan, in totaal vijf jaar lang. Dat leverde dus heel veel data op, die door de hoofdauteurs van het artikel uitgebreid werden geanalyseerd. Ze keken niet alleen naar welke plantenvarianten er op een plek overblijven, maar ook welke genen en allelen, varianten van genen, en dus welke genen een positief effect hebben op aanpassing aan het klimaat.”

Gelijke klimaten, gelijke evolutie

De huidige studie rapporteert over de eerste drie jaar van het experiment. “Er kwamen echt heel veel inzichten uit dit experiment,” vertelt Van Zanten. “Zo laat de studie zien dat zandraketpopulaties zich in vergelijkbare klimaten op dezelfde manier aanpassen. De plotjes in Madrid leken na een aantal jaar bijvoorbeeld erg op die in Griekenland: dezelfde varianten deden het daar goed. Maar er bleven daar wel hele andere varianten over dan in het hoge noorden, terwijl locaties in het noorden wel weer meer op elkaar leken. Hoe plantenpopulaties evolueren is dus voorspelbaar en gerelateerd aan de omgeving.” 

De zandraket is een plant die veel wordt gebruikt in laboratoriumonderzoek. Het hele genoom van de plant is bekend, en van veel genen is de functie bekend. Zo kon het team aantonen dat er tijdens het experiment selectie plaatsvond op genen die onder andere betrokken zijn bij hoe de planten op hoge temperatuur reageren.

Als planten opschuiven omdat ze het het beste doen bij een bepaalde temperatuur, dan komen ze op een gegeven moment onherroepelijk bij een kust of een andere barrière aan waar ze niet verder kunnen.

Optimale groeiplek verschoven

Van Zanten vindt het inzicht dat de optimale groeiplek van planten is verschoven het meest opvallend. “De zandraketplanten die gebruikt zijn werden misschien wel dertig jaar geleden ergens verzameld. We weten wat de temperatuur op die plek toen was. Nu zien we dat nakomelingen van die planten het beter doen op plekken waar het toen ongeveer 1,5 graad kouder was. Dit zien we over het hele noordelijke halfrond. Het maakt het effect van klimaatverandering op de levende natuur heel tastbaar.”

Snel aanpassen

Het experiment laat zien dat zandraketpopulaties zich in potentie snel kunnen aanpassen aan nieuwe omstandigheden, wat je als goed nieuws zou kunnen zien. Maar Van Zanten en Snoek plaatsen daar een kanttekening bij. “In dit experiment begonnen de populaties in de plotjes met zaden die overal vandaan zijn gehaald,” vertelt Van Zanten. “In het echt is dat natuurlijk niet zo en zal er op een specifieke plek waarschijnlijk minder variatie zijn waar selectie op kan plaatsvinden.”

We hebben in de brandende zon en in de kleffe natte sneeuw gestaan om bloemetjes te verzamelen. Het was leuk om weer eens vieze handen en schoenen te krijgen.

Maar als de temperatuur stijgt en plantenpopulaties zich niet snel genoeg aan kunnen passen, dan kunnen de planten toch gewoon opschuiven met het verwarmende klimaat? “Als planten opschuiven omdat ze het het beste doen bij een bepaalde temperatuur, dan komen ze op een gegeven moment onherroepelijk bij een kust of een andere barrière aan waar ze niet verder kunnen. Die planten raak je dan kwijt.”

Achter beeldscherm vandaan

Snoek en Van Zanten, die vaak samenwerken en op dit moment ook betrokken zijn bij een vervolgstudie, sloten zich bij het project aan nadat ze er via een collega van hoorden. Van Zanten: “Dit is een project waarin je samen tot iets komt dat veel verder gaat dan wat je alleen of met een klein team kunt bereiken.”

Snoek, die bio-informaticus is, droeg in dit project verrassend genoeg nauwelijks bij aan de data-analyse. “Dit was juist een heel leuk project omdat ik gedwongen werd om eens achter mijn beeldscherm vandaan te komen,” vertelt hij. “We hebben in de brandende zon en in de kleffe natte sneeuw gestaan om bloemetjes te verzamelen. Het was leuk om weer eens vieze handen en schoenen te krijgen.”