Während sich die globale Erwärmung beschleunigt, führen extreme Hitzewellen zum weitverbreiteten Absterben tropischer Riffkorallen. Die meisten Korallen sind auf winzige Algenzellen angewiesen, die in ihrem Gewebe leben und Photosynthese betreiben und Energie produzieren. Korallen nutzen diese Energie, um ihre Skelette aufzubauen, die die Riffstruktur bilden.
In unserer sich erwärmenden Welt wird die Entwicklung der Hitzewellentoleranz für den Fortbestand der Korallenpopulationen von entscheidender Bedeutung sein. Die natürliche Anpassung erfolgt über viele Generationen und ist wahrscheinlich bereits im Gange. Diese Anpassungsraten könnten jedoch durch die Erwärmung der Ozeane übertroffen werden.
Wissenschaftler und Riffmanager fordern nun eine „unterstützte Evolution“, um die Anpassung zu beschleunigen. Ein vielversprechender Ansatz ist die selektive Züchtung zur Verbesserung der Hitzewellentoleranz.
Unsere neue Studie untersucht, wie solche Eingriffe Korallen dabei helfen könnten, künftigen Hitzewellen standzuhalten.
Indem wir die genetischen Grundlagen der Hitzetoleranz und anderer wichtiger lebensgeschichtlicher Merkmale wie Wachstum, Energiereserven und Fortpflanzung untersuchen, zeigen wir sowohl das Potenzial als auch die Grenzen der evolutionären Anpassung an extremen Hitzestress auf. Diese Arbeit konzentriert sich auf eine in Gefangenschaft gezüchtete Korallenpopulation, die wir über acht Jahre in Palau, einem Archipel im Westpazifik, aufgezogen haben.
Der Bereich der quantitativen Genetik kann Aufschluss über komplexe Merkmale wie Wachstum und Hitzetoleranz geben, die typischerweise von Hunderten bis Tausenden von Genen beeinflusst werden. Diese Werkzeuge können uns helfen, die evolutionären Reaktionen auf Selektion zu maximieren, und werden seit langem in der Landwirtschaft und Tierzucht eingesetzt – von den Feldfrüchten, die wir essen, bis hin zu den Hunden, die wir zu Hause haben.
Zwei Schlüsselkonzepte stehen im Mittelpunkt. „Genetischer Wert“ beschreibt den Wert eines Individuums für die Zucht und „genetische Korrelationen“ beschreiben, wie Merkmale ihre zugrunde liegende genetische Basis teilen.
Um diese abzuschätzen, müssen bestimmte Merkmale wie Hitzetoleranz gemessen und Informationen über die Verwandtschaft zwischen einzelnen Personen, beispielsweise Voll- oder Halbgeschwistern, gesammelt werden. Dies ist jedoch bei Wildkorallen schwierig, da diese weit verstreut sind und typischerweise keine Beziehung zu benachbarten Exemplaren am Riff haben.
Unsere in Gefangenschaft gehaltene Population, die sowohl verwandte als auch nicht verwandte Individuen umfasst, bietet eine seltene Gelegenheit, quantitative Genetik auf erwachsene Korallen anzuwenden.
Stellen Sie sich vor, eine große Hitzewelle hätte ein weit verbreitetes Korallensterben verursacht. Welche Korallen sollten wir zur Vermehrung oder Zucht auswählen?
Die Auswahl der Überlebenden erscheint intuitiv, aber das Überleben allein garantiert keine genetische Veranlagung für Hitzetoleranz. Eine Koralle könnte zufällig überleben – vielleicht war sie beschattet oder hatte höhere Energiereserven, während alle ihre Verwandten starben. Die Auswahl solcher Individuen für die Zucht würde die Hitzewellentoleranz zukünftiger Generationen nicht verbessern.
Wenn jedoch ganze Familien dazu neigen, gemeinsam zu überleben oder zu sterben, deutet dies auf eine genetische Grundlage für Hitzewellentoleranz hin. Der Einsatz quantitativer Genetik kann in solchen Fällen dazu beitragen, fundiertere Entscheidungen zu treffen.
Aber wenn keine natürliche Hitzewelle auftritt, wie können wir dann proaktiv geeignete Korallen für die Bewirtschaftung identifizieren? Dazu benötigen wir einen Stellvertreter: ein leicht zu messendes Merkmal, das genetisch mit der genetischen Verdienste eines Individuums für das Überleben bei Hitzewellen korreliert und diese so vorhersagt.
Wir haben die Hitzetoleranz der Korallen unter vier verschiedenen Temperaturbelastungen getestet, von einer einmonatigen Belastung bei 32,5 °C bis hin zu einem schnellen Hitzeschock von 38,5 °C.
Diese hohen experimentellen Temperaturen gehen über das hinaus, was in der Natur geschieht. Als die simulierten Bedingungen heißer wurden, fanden wir immer schwächere genetische Korrelationen mit dem Überleben mariner Hitzewellen. Diese Toleranzmerkmale weisen eine etwas unterschiedliche zugrunde liegende Biologie auf, daher ist eine sorgfältige Auswahl der Merkmale unerlässlich. Das Testen der falschen Proxy-Merkmale zur Identifizierung der Zielkorallen führt zu keiner Verbesserung der Überlebenschancen bei Hitzewellen.
Aber Anpassung beinhaltet mehr als nur Hitzetoleranz. Individuelles Wachstum, Energiereserven und Fortpflanzung sind für eine gesunde Bevölkerung von entscheidender Bedeutung. Wenn die Verbesserung der Hitzetoleranz auf Kosten solcher Merkmale geht, würde dies die Lebensfähigkeit der Population beeinträchtigen.
Erfreulicherweise fanden wir keine nachweisbaren negativen genetischen Korrelationen zwischen den von uns untersuchten Merkmalen.
Passend zu zukünftigem Stress
Um zu untersuchen, wie unterstützte Evolution die Hitzetoleranz im Laufe der Zeit verbessern könnte, haben wir eine Computersimulation entwickelt.
Dies hat uns gezeigt, dass es möglich ist, Toleranzniveaus zu erreichen, die künftigen Hitzewellen standhalten, allerdings nur unter bestimmten Bedingungen.
Die Auswahl muss direkt auf das langfristige Überleben bei Hitzewellen abzielen. Dies bedeutete, dass nur die obersten 5 % der tolerantesten Korallen als Eltern für die Zucht ausgewählt wurden, und dies musste über mehrere Generationen hinweg wiederholt werden.
Eine solch intensive Selektion bringt jedoch auch andere Herausforderungen mit sich, etwa die Erhaltung der genetischen Vielfalt und die Ausweitung der Selektionsbemühungen. Wenn wir aus 50 Korallen züchten müssen, um die genetische Vielfalt zu erhalten und nur die obersten 5 % auszuwählen, müssen wir 1.000 Korallen testen. Das wird logistisch sehr anspruchsvoll.
Unsere Modellierungsergebnisse zeigen, dass die unterstützte Evolution zu bedeutenden Verbesserungen der Hitzewellentoleranz der Korallen führen kann. Der Erfolg hängt jedoch von einer sorgfältigen Auswahl der Merkmale und einer starken, nachhaltigen Selektion ab.
Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen bleibt von entscheidender Bedeutung, um die künftige Erwärmung einzudämmen. Darüber hinaus wird das strategische Management lokaler Ökosysteme – vom Schutz bis zur unterstützten Evolution – von entscheidender Bedeutung sein, um wichtigen Arten dabei zu helfen, sich an unsere sich schnell erwärmende Welt anzupassen und zu überleben.
Liam Lachs, Postdoktorand in der Ökologie und Evolution des Klimawandels, Newcastle-Universität; Adriana Humanes, Postdoktorandin in Korallenriffökologie, Newcastle University, Newcastle-Universitätund James Guest, Dozent für Korallenriffökologie, Newcastle-Universität
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