Der Artenvielfalt auf der Spur

20. Mai 2018

Um die Mechanismen der Artenbildung zu erforschen, hat sich Dr. Michael Pirie eine Pflanzengattung ausgesucht, deren Ursprung zwar in Europa liegt, die aber vor allem in Südafrika eine unglaubliche Vielfalt entwickelt. Bereits seit zehn Jahren spürt der Botaniker vom Institut für Organismische und Molekulare Evolutionsbiologie (iOME) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) den Heidekrautgewächsen nach.
 

Das Heidekraut ist ein eher unauffälliges Gewächs. Hierzulande dient es vorwiegend als Lückenbüßer im Blumenkasten, als dauerhafter Grabschmuck oder als dezenter Hintergrund für größere Blütenpracht in diversen Gartenbeeten. Allenfalls als Lüneburger Heide macht es noch von sich reden, ansonsten scheint das Heidekraut kaum eine Erwähnung wert. Wenn allerdings Dr. Michael Pirie von Erica erzählt, wandelt sich dieses Bild grundlegend.

Pirie will nicht nur über die Pflanzen reden, er will sie auch gleich zeigen. "Es ist nicht weit", verspricht er. Tatsächlich sind es vom Bau der früheren Speziellen Botanik, die seit der Umstrukturierung des Fachbereichs Biologie Anfang 2017 Teil des Instituts für Organismische und Molekulare Evolutionsbiologie (iOME) gehört, nur wenige Schritte bis zur Biologischen Abteilung des Botanischen Gartens der JGU. Dort findet sich ein Beet mit den typischen kleinen Heidekrautsträuchern.

Genom der Baumheide

"Für viele ist das langweiliges Grün", räumt Pirie ein, "aber es steckt so viel dahinter." Er deutet auf ein Exemplar mit kleinen weißen Blüten. "Die Samen hierfür, wie auch für viele andere Arten, hat uns der Kollege Jaime Fagúndez von der Universidad de La Coruna zu Forschungszwecken geschickt." Es handelt sich um Erica lusitanica, um Portugiesische Heide. Zu ihr kann Pirie eine interessante Geschichte erzählen: "Es gibt eine andere Art, Erica arborea, eine Baumheide, die sowohl im mediterranen Raum als auch in Ostafrika wächst. Wenn wir eine Pflanze haben, die an zwei verschiedenen Orten vorkommt, und dazwischen ist nichts, dann fragen wir uns: Wo hat es angefangen? In Ostafrika oder am Mittelmeer? Nun sieht Erica lusitanica, die ebenfalls zu den Baumheiden gehört, Erica arborea sehr ähnlich."

Um Verwandtschaftsverhältnisse der Pflanzen genau zu klären, vergleichen Pirie und seine Kolleginnen und Kollegen Abschnitt für Abschnitt deren Genome. Das ist zwar aufwendig, aber aufschlussreich. "Teile des Genoms von Erica lusitanica stimmen mit denen einiger europäischer Heidearten überein, auch wenn sie ihr manchmal gar nicht ähnlich sehen. Andere Abschnitte wiederum stimmen mit denen von Erica arborea überein. Wir schließen daraus, dass sich Vorfahren von Erica arborea und andere Arten in Europa gekreuzt haben. Diese Baumheide wanderte dann relativ spät und als Einzelfall nach Ostafrika. Das widerspricht der bisherigen Theorie, wonach die Verwandtschaft mit den europäischen Arten nicht so eng ist. Man sah in Erica arborea einen frühen Schritt zur Verbreitung des Heidekrauts in Afrika, wo es sich dann zu großer Vielfalt entwickelte. Wir konnten aber feststellen, dass Erica arborea komplett unabhängig von anderen Arten nach Afrika gekommen ist."

Piries Forschung dreht sich um die Entstehung und Herausbildung von Arten. Er will wissen, unter welchen Bedingungen und in welchen Zeiträumen sie sich entwickeln. Das untersucht er in den tropischen Regenwäldern Mittel- und Südamerikas an den Annonen- oder Flaschenbaumgewächsen, aber eben auch am Heidekraut. "Mit beidem beschäftige ich mich seit vielen Jahren, doch die Ericaceae stehen im Moment im Vordergrund."

Vielfalt am Westkap

Pirie stammt aus England, 2005 schreib er in den Niederlanden seine Dissertation zu den Annonaceae. Er arbeitet einige Zeit als Postdoc in Zürich, bevor er 2008 nach Stellenbosch, Südafrika, ging, wo er gemeinsam mit Prof. Dirk Bellstedt und Dr. E.G.H. Oliver mit der Erica-Forschung begann. Schließlich kam er 2013 dann an die JGU. "Um die Flaschenbäume zu erforschen, reiste ich jeweils für zwei Monate nach Bolivien und nach Peru. Aber es ist sehr schwer, im Regenwald genau die richtigen Bäume zu finden. Meine Ausbeute ließ sich an zehn Fingern abzählen." Beim Heidekraut ist das entschieden einfacher.

Die Gattung der Erica zählt weltweit um die 800 Arten. "Gerade mal zwei Dutzend davon gibt es in Europa. Die meisten haben diese weißen bis rosafarbenen kleinen Blüten, die gern von Insekten besucht werden." Ganz anders sieht es in der Westkap-Region in Südafrika aus. "Auf einem Gebiet so groß wie Portugal gibt es rund 700 verschiedene Arten."

Pirie zeigt einige Fotos mit Westkap-Heidekraut. Die bunte Vielfalt überrascht bereits auf den ersten Blick. "Erica hat sich in Südafrika auf verschiedenste Weisen der Bestäubung eingestellt." Ein Exemplar reckt leuchtend gelbe, längliche Blüten gen Himmel. "Es wird von Nektarvögeln, dem afrikanischen  Gegenstück des Kolibris, bevorzugt." Bis vor Kurzem hieß die Pflanze mit wissenschaftlichem Namen noch Erica abietina spp. perfoliosa, doch die genetischen Untersuchungen durch Piries Team haben ihre Verwandtschaftsverhältnisse neu geordnet, nun firmiert sie unter Erica grandiflora spp. perfoliosa.

Landschaft und Klima

Erica retorta hingegen präsentiert rosafarbene, flaschenförmige Blüten mit langem, schmalem Hals. "Sie wird von sogenannten long-proboscid flies besucht", erzählt Pirie. Das sind Insekten mit besonders langem Rüssel. "Andere werden sogar durch Mäuse bestäubt und es gibt auch Arten wie Erica lasciva, die auf Windbestäubung setzen.“

Seit vielen Jahren wissen die Spezialisten – und mit ihnen auch Pirie: "Die Wiege der Heidekräuter liegt in Europa." Wie aber ist dann die Vielfalt am Westkap zu erklären? Wäre es nicht logisch, wenn die Ursprungsregion die größte Bandbreite böte? "Genetisch betrachtet ist das auch der Fall", räumt Pirie ein. Gerade dieser Sachverhalt belegt, dass Erica aus Europa stammt. "Aber vom Erscheinungsbild, von der Zahl der Arten her, sieht es völlig anders aus." Warum?

Die Antwort auf diese Frage verrät viel über die Mechanismen der Artenbildung, Piries großes Forschungsthema. Einerseits machte das Klima in Europa vielen Heidekräutern den Garaus. "Vor 10.000 Jahren reichten die Gletscher bei uns bis tief ins Land. In der Kapregion gab es zwar auch Klimaänderungen, aber sie waren nicht so drastisch." Sie erlaubten eine Anpassung der Pflanzen. "Außerdem ist die Landschaft am Westkap sehr abwechslungsreich.“ Gebirgsauffaltungen teilen sie in zahlreiche kleinere Regionen, was eine separate Artenbildung begünstigt; verschiedene Höhenlagen bieten verschiedene ökologische Nischen.

Heisenberg-Stipendium

Das Westkap wirkt wie ein natürlich entstandenes Labor für die Erforschung von Artenbildung allgemein und insbesondere von Erica. "Sie brauchen nur wenige Stunden zu laufen und haben ungeheuer viel Material. Es reicht sogar, um statistisch relevante Ergebnisse zu erzielen." Bei den Flaschenbäumen ist das entschieden schwieriger, aber auch sie kommen jetzt wieder ins Spiel. "Es ist natürlich aufschlussreich, die Artenbildung bei völlig verschiedenen Pflanzengruppen auf unterschiedlichen Erdteilen zu vergleichen. Das lässt Rückschlüsse auf allgemeinere Regeln zu."

Für die kommenden fünf Jahre unterstützt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Piries Arbeit über ein Heisenberg-Stipendium. "Das gibt mir die Möglichkeit, längerfristig zu planen und weitere Gelder einzuwerben", freut sich der Botaniker. Überdies lobt er die Rahmenbedingungen an der JGU. "Hier gibt es eine Herbar-Sammlung und lebende Sammlungen wie dieses Beet mit den Heidekräutern." Beides erleichtert seine Forschung sehr, die er noch lange nicht am Ende sieht: Erica und Tropenbäume werden ihn weiter beschäftigen auf seiner Suche nach den Mechanismen der Diversität.