Genetic processes in Scots pine (Pinus sylvestris L.) in the Chernobyl exclusion zone | Genetische Prozesse in Kiefern (Pinus sylvestris) in der Tschernobyl Sperrzone

Pflanzen müssen aufgrund ihrer Immobilität ungünstige Umweltbedingungen tolerieren und verschiedene Anpassungsmechanismen aktivieren, um unter Stressbedingungen zu überleben und erfolgreich zu reproduzieren. Oft ist es schwierig, die Stressantwort eines Organismus oder einer Population zu entdecken, da sich die Umweltbedingungen nur sehr langsam verändern können oder die Stressantwort der Pflanzen erst verzögert erfolgt. Somit bieten Untersuchungen unter extremen Umweltbedingungen, einmalige Gelegenheiten, Anpassungsmechanismen zu analysieren. Gebiete mit starkem anthropogenem Einfluss auf die Umwelt, stellen ideale Orte dar, um Anpassungs- und Selektionsprozesse zu studieren. Seit vielen Jahrzehnten ist bekannt, dass ionisierende Strahlung ein extrem schädlicher Stressfaktor ist. Radioaktive Strahlung bewirkt eine starke Schädigung der DNA. Dies führt zu einem Verlust der Fitness in der gegenwärtigen Generation und zu vererbbaren Mutationen, die erst in den späteren Generationen sichtbar werden. Untersuchungen zum Einfluss von Radioaktivität auf verschiedenen Ebenen eines Organismus, wie etwa von der DNA-Ebene eines einzelnen Individuums bis hin zur Populations-Ebene, können helfen, den Mechanismus der Stressantwort auf sich ändernde Umweltbedingungen besser zu verstehen. Nach dem Reaktorunfall 1986 im Kernkraftwerk Tschernobyl wurden große Gebiete mit radioaktivem Material kontaminiert. Die Sperrzone in Tschernobyl wurde somit ein natürliches Labor, um den Einfluss von Radioaktivität auf die Biozönose zu untersuchen. Aufgrund ihrer hohen Sensitivität gegenüber Strahlenbelastung und ihrer Dominanz in den Waldökosystemen der Sperrzone ist Pinus sylvestris eine der meist untersuchten Spezies bezüglich der Auswirkungen von Radioaktivität. Mit Hilfe von kern-kodierten Microsatelliten- (SSRs) und AFLP-Markern wurden Mutationsraten und Selektionsprozesse in Kiefern (Pinus sylvestris) unterschiedlichen Alters und mit unterschiedlicher Strahlenbelastung, die in der Sperrzone beerntet wurden, vergleichend zu Kontrollkollektiven analysiert. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass über das gesamte Genom von P. sylvestris verteilt Mutationen stattfinden, ebenso konnten Selektionsprozesse unter den Kiefern aus der Sperrzone von Tschernobyl beobachtet werden. Sollten die meisten Mutationen schädlich sein, oder die Fitness der Organismen reduzieren, dann müssen Kiefern Mechanismen aktivieren, die schützend- reparierend- und anpassungsrelevant sind, um ein Überleben unter permanenter radioaktiver Strahlung zu ermöglichen. Bisher ist es schwierig zu unterscheiden, welcher Teil der DNA von Mutationen betroffen oder von Selektion beeinflusst wird. Weitere Untersuchungen von P. sylvestris aus der Sperrzone von Tschernobyl könnten neue Informationen über schnelle Anpassungsmechanismen von langlebigen Pflanzen an extreme Veränderungen der Umwelt liefern.

As immobile organisms, plants have to tolerate unfavorable environmental conditions and make use of different adaptive mechanisms to survive and reproduce successfully under stress. It is often difficult to detect the organism s or population s response to stress factors due to slow changes of environmental conditions or delayed reactions of plants. From this point of view, the investigation of reactions under extreme environmental change offer unique opportunities to study adaptation mechanisms. Areas with a strong anthropogenic impact on the environment represent ideal places for research on adaptation or selection processes. For many decades, ionizing radiation is well known as a strong damaging and stress factor. Radiation exposure causes heavy damages of the DNA. This leads to a decrease in fitness in the present generation and inheritable mutations which reveal their effects in later generations. On the other hand, radiation exposure activates adaptation processes to ensure survival. The investigation of the influence of radiation at different levels of life organization from the DNA level to the population level can help to elucidate response mechanisms to changing environments. After the accident in 1986 at the Chernobyl Nuclear Power Plant, the surrounding territories were contaminated with high amounts of radioactive material. The exclusion zone became a natural laboratory for the investigation of effects of radiation on the biocenosis. Pinus sylvestris is one of the most wildly used species in radiation research due to its very high sensitivity to radiation exposure and dominance in forest ecosystems of the exclusion zone. Nuclear microsatellites (SSRs) and AFLP markers were investigated in order to study mutation rates and selection processes under the influence of radiation in the Scots pine (Pinus sylvestris) of different age and irradiation conditions collected in the Chernobyl exclusion zone and control areas. The results of this study show that a high number of mutations occur across the whole genome of P. sylvestris; selection processes were also observed among pines of the Chernobyl exclusion zone. If most of the occurring mutations are deleterious or decrease the fitness of organisms, pines had to activate protective, repairing and adaptive mechanisms in order to survive in conditions of permanent radiation exposure. It is difficult to distinguish which part of the DNA is affected by mutation processes or influenced by selection. Further investigation of P. sylvestris from the Chernobyl exclusion zone could provide new information about rapid adaptation of long-living plants to extreme environmental change.