Eine kleine Pflanze wird zum Star für Bürgerwissenschaft

von Petra Bauer und Bruno Andreas Walther, Institut für Botanik an der HHU

Neues Projekt will die Öffentlichkeit in pflanzengenetisches Forschungsprojekt einbinden

Die meisten Menschen treten sie wahrscheinlich mit Füßen und wissen gar nicht, dass sie da auf einem Star der Pflanzenwissenschaften herumtrampeln.

Dieser Megastar in den Pflanzenwissenschaften ist eine kleine unscheinbare Bewohnerin der Stadt Düsseldorf, heißt mit wissenschaftlichem Namen Arabidopsis thaliana und mit deutschem Namen Ackerschmalwand (oder Gänsekresse)1 und lebt mit ihresgleichen auf Wegesrändern, Brach- und Grünflächen bevorzugt in städtischen Gebieten. Des Öfteren sieht man sie auch in den Fugen zwischen Pflastersteinen. Die gestauchte Achse mit wechselständigen Blättern am Stängelgrund ist eine kleine, flache Rosette. Mit nur einer solchen Rosette an der Oberfläche begibt sich diese Pflanze in die Winterruhe, und sie meldet sich erst zurück, wenn im März die Temperaturen ansteigen und die Tage länger werden. Dann schießt sie in die Höhe, blüht, und fruchtet. Ihre zahlreichen Samen fallen im April aus den offenen Schoten, und können dann sogar von Hundepfoten und Schuhsohlen verbreitet werden. Schon kurz danach ist die Ackerschmalwand wieder spurlos verschwunden, die Samen verschlafen den Sommer, bis die nächste Generation als Rosette im Herbst wieder auftaucht.

In manchen Jahren sehen wir die Ackerschmalwand häufig, so auch in diesem Jahr. Im April 2022 begab sich Lehramtsstudentin Sarah Weirauch auf die Suche nach blühender Ackerschmalwand in Düsseldorf. Mit ihrem Fahrrad durchstreifte Sarah bei schönem Wetter die Stadt und entdeckte an nur drei Tagen Ackerschmalwand-Individuen an acht Standorten. Sie notierte Größen- und Farbunterschiede der Rosetten, und die Vermehrung erschien nicht an allen Orten mit derselben Intensität zu passieren.

Fotos von S. Weirauch, P. Bauer
Aufgespürte Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) im Rahmen der Bachelorarbeit von Lehramtsstudentin Sarah Weirauch 2022 im Stadtgebiet Düsseldorf; im April 2022 blühende und fruchtende Pflanze hervorgehoben durch ein Blatt Papier (rechts). Im Oktober 2022 Rosette der nächsten Generation in Winterruhe.

Was Sarah mit ihrer Detektivarbeit herausfinden wollte, waren die Antworten auf einige Fragen, die sie sich mit ihrer Bachelorarbeit gestellt hatte:

• Lassen sich Ackerschmalwandpflanzen einfach im Stadtgebiet finden und deren Erbinformationen im Hinblick auf beschriebene morphologische und genetische Merkmale2 untersuchen, um darauf aufbauend später ein interessantes ökologisches Schulprojekt zu entwickeln?

• Sind alle Ackerschmalwand-Individuen im Stadtgebiet eng miteinander verwandt? Oder gibt es hier Unterschiede?

Einen ersten Hinweis lieferten Untersuchungen des FRIGIDA Gens. Wie der Name andeutet, beeinflusst FRIGIDA, abgekürzt auch FRI, wie früh Pflanzen nach einer Kälteeinwirkung blühen2. Sarah sammelte Pflanzenproben von den acht Ackerschmalwand-Standorten und gewann daraus die Erbsubstanz, chemisch gesprochen DNS (Desoxyribonukleinsäure, ein langes Kettenmolekül zusammengesetzt aus vier verschiedenen Bausteinen in unterschiedlichen Abfolgen, welches die Erbinformationen kodiert). Mit Hilfe der PCR Methode (Polymerase Kettenreaktion) vervielfältigte Sarah kleine Stücke aus den FRI Genen ihrer gesammelten Pflanzen und entschlüsselte die darin enthaltene Erbinformation durch DNS Sequenzierung, d.h. durch Bestimmung der Abfolge der vier DNS Bausteine.

Was uns verblüffte, war festzustellen, dass diese FRI Erbinformationen tatsächlich denen von Ackerschmalwand-Pflanzen ähnelten, die aus entfernten Teilen Europas und Amerikas stammten und in der Literatur genauso beschrieben waren2. So kam uns Ackerschmalwand, diese kleine unscheinbare Art, so zusammengewürfelt und divers vor wie die menschlichen Einwohner in Düsseldorf. Die Unterschiede im FRI Gen deuteten an, dass manche Ackerschmalwand-Individuen genetisch bedingt wohl früher blühen als andere. Vielleicht hat der kurze Winter in 2021-2022 dazu beigetragen, dass sich bestimmte genetische Varianten der Ackerschmalwand in diesem Jahr so richtig wohl fühlten und darum besonders gut vermehrten.

Wer weiß, was die Ackerschmalwand sonst noch an genetischen Schätzen zu bieten hat? Vielleicht eine Anpassung an die von Menschen geschaffenen Pflasterfugen, die sich schnell erwärmen und mit Sand gefüllt trocken und nährstoffarm sind? Denn es ist schon beeindruckend, mit welchen Tricks einige Pflanzenspezialisten in den Pflasterfugen in den Städten überleben!3

Diese Pflasterpflanzen waren auch im Mittelpunkt von zwei Veranstaltungen, bei denen wir Bürger*innen die erstaunlichen Anpassungen dieser Pflanzen näherbrachten. Von den Pflasterpflanzen verzaubern ließen sich die Besucher*innen unseres Science Lunch Events im Juli im Botanischen Garten (ausgerechnet am heißesten Tag des Jahres, der Klimawandel lässt grüßen) und der Nacht der Wissenschaften der HHU im September. Die Besucher*innen bestaunten das unterschiedliche Wachstum unserer Ackerschmalwand-Laborpflanzen in verschiedenen käuflichen Verfugungsmaterialien (also die Plastizität, mit der sich die Pflanzen in unterschiedlichen Umwelten völlig anders entwickeln) und nahmen kinderleicht selbst-isolierte DNS im Reaktionsgefäß mit nach Hause. Und wir waren schwer beeindruckt von den Schilderungen und Bemühungen vieler Mitbürger*innen, in den Pflasterfugen vor ihren Wohnhäusern ein buntes Leben von Pflanzen und Sandbienen zu erhalten.

Fotos von K. Panigrahi, A. Kumari
Mitarbeitende und Studierende des Instituts für Botanik im Austausch mit Bürger*innen über ökologische und genetische Anpassungen von Pflanzen bei einem Science Lunch Event im Botanischen Garten im Juli (links) und der Nacht der Wissenschaft auf dem Schadowplatz und im Haus der Universität (rechts) im September 2022.

Ab 2023 soll die Ackerschmalwand nun eine noch größere Star-Rolle zugeteilt bekommen. Der Sonderforschungsbereich TRR 341 „Plant Ecological Genetics“ (pflanzenökologische Genetik) will als Verbundprojekt mehrerer Universitäten Bürgerwissenschaftler*innen gewinnen, genau wie Sarah auf Entdeckungsreise zu gehen und Standorte der Ackerschmalwand und einigen ähnlichen Arten aufzuspüren. Dieses neue Citizen Science Projekt (oder Bürgerwissenschaftsprojekt) zielt darauf ab, naturinteressierte Vereine und Organisationen, Institutionen des Bildungssektors, Studierende, Schulen und die interessierte Öffentlichkeit einzubinden, um gemeinsam mit Wissenschaftler*innen Daten über ökologische und genetische Anpassungen zu sammeln und zu analysieren und so die genetischen Anpassungen der Pflanzen an schnell fortschreitende Umweltveränderungen besser zu verstehen4,5. Gleichzeitig soll durch Wissenstransfer und Öffentlichkeitsarbeit das Bewusstsein geschärft werden für

• die Bedeutung von Pflanzen in Ökosystemen,

• die verschiedenen Herausforderungen und Bedrohungen, denen Pflanzen ausgesetzt sind,

• die Rolle, die die Genetik bei der Anpassung von Pflanzen an Umweltveränderungen spielt.

Das Citizen Science Projekt hat fünf Umsetzungsziele (Engagement, Vorbereitung, Erhebung von Forschungsdaten, Datenanalyse und Datenverbreitung). Bürgerwissenschaftler*innen können zum überregionalen Pflanzenmonitoring beitragen, indem sie Daten sammeln, so zum Beispiel mit der mobilen App Flora Incognita5,6. Sie können aber auch bei der Entwicklung der Sammelmethoden, des Wissenstransfers und der Öffentlichkeitsarbeit mitarbeiten. So können die Bürgerwissenschaftler*innen zum Beispiel mithelfen, umstrittene Themen wie genetische Veränderungen von Pflanzen mit zu diskutieren und aus anderer Perspektive neu zu denken. Wir hoffen sehr, dass durch das CS Projekt eine lebendige Gemeinschaft von miteinander verbundenen Bürgerwissenschaftler*innen und Wissenschaftler*innen entsteht. Interessierte Bürger*innen und Schulen können sich gerne bei uns melden: https://trr341.uni-koeln.de/citizen-science.

Weitere Informationen finden sich hier:

1https://www.deutschlandfunk.de/arabidopsis-als-modellpflanze-100.html, eine besonders gute Abbildung ist auf https://elifesciences.org/articles/06100 zu sehen.

2Johanson et al. 2000. Molecular analysis of FRIGIDA, a major determinant of natural variation in Arabidopsis flowering time. Science 290:344-347. https://doi.org/10.1126/science.290.5490.344

3http://www.flora-deutschlands.de/Publikationen/OEKO_2013_02_Pfasterritzengesellschaft.pdf

4https://zenodo.org/record/6587158#.Y2OSNC9Xa_w

5https://trr341.uni-koeln.de/citizen-science

6https://floraincognita.com/, siehe auch Mäder et al. 2021. The Flora Incognita app–interactive plant species identification. Methods in Ecology and Evolution 12:1335-1342. https://doi.org/10.1111/2041-210X.13611

Danksagung zu Recherchen von Marie Knopf, Naima Schommen, Benedikt Stobe, und Sarah Weirauch im Rahmen ihrer Biologie-Bachelorarbeiten.

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