Negyedidőszaki pollenvizsgálatok és környezettörténeti jelentőségük

Negyedidőszaki klíma- és vegetációváltozások, paleo-DNS kutatás

A genetikai kutatások módszertanának fejlődése mára lehetővé teszi a nyomokban előforduló DNS fragmentumok analízisét. Ilyen DNS maradványok fordulnak elő többek közt több tízezer éves tavi üledékekbe zárt pollenekben és növényi makrofosszíliákban, mivel az oxigéntől elzárt és tartósan hűvös környezet gátolja a mikrobiális lebontó folyamatokat, és így kedvez az örökítő anyag megmaradásának. Az elmúlt években napvilágot látott sikeres paleo-DNS vizsgálatok ösztönözték a kutatócsoport kvarter kutatóját, Dr. Magyari Enikőt arra, hogy a Déli-Kárpátok refúgiális területeként számon tartott Retyezát-hegységben gleccsertavak üledékébe zárt lucfenyő (Picea abies) polleneket és magokat vizsgáljon. A paleo-DNS kutatás egy komplex őskörnyezeti vizsgálatsor részeként indult az Európai Unió Kutatási Alapjának a támogatásával. Az őskörnyezeti vizsgálatok alapvető célja az elmúlt 16 ezer év vegetáció- és erdőhatár-változásainak rekonstrukciója pollen és növényi makrofosszília vizsgálatok segítségével, valamint a vizsgált gleccsertavak (1. ábra) vízszintváltozásainak rekonstrukciója. Ezen kívül a projekt feladata a pollen, oxigén-izotóp és fosszilis árvaszúnyog (Chironomidae) vizsgálatok eredményeit felhasználva kvantitatív paleoklíma rekonstrukciók elkészítése a gyors felmelegedéssel jellemezhető időszakok, mint például a kora-holocén (11500-10000 évek közt) és késő-glaciális (14500-13000 évek közt) felmelegedési hullámok idejére.

A projekthez kapcsolódó paleo-genetikai kutatás elsődleges célja annak kiderítése volt, hogy a hegység alacsonyabb tengerszint feletti magasságaiban feltételezett jégkorszaki lucfenyő maradvány populációkból származó fák népesítették-e be a magasabban fekvő szubalpin zónát a kora-holocén felmelegedés során, vagy távolabbi területekről indult ki az expanzió. E kérdés tisztázásának legfőbb társadalmi hasznossága a biodiverzitás megőrzésben van. Amennyiben a paleo-DNS vizsgálatok igazolják a Retyezát-masszívum refúgiális szerepét, és ezzel együtt nagyfokú genetikai diverzitását és ritka genetikai variánsok (allélek) koncentrálódását a hegységben, akkor különösen fontos ennek a genetikai diverzitásnak a megőrzése, legfőképpen a különböző környezethez alkalmazkodó, genetikailag kódolt ökotípusok jelenléte miatt. Ez a genetikai diverzitás teszi ugyanis lehetővé, hogy a változó klímához egy faj, esetünkben a lucfenyő, bizonyos korlátok közt alkalmazkodni tudjon. Emellett a paleo-DNS vizsgálat elsőként teszi lehetővé a múltban élt és ma élő populációk genetikai állományának közvetlen összehasonlítását, és így a molekuláris óra kalibrálását. Segítségével képet kaphatunk a DNS mutációs rátájának mértékéről, melyet ezidáig csak feltételezéseken alapuló recens populációgenetikai módszerekkel végeztek a kutatók. Emellett a lucfenyő polleneken és magokon végzett paleo-DNS kutatás fontos módszertani fejlesztést jelent. Mivel az ilyen jellegű kutatások ez elmúlt évtizedben indultak meg, a kutatás technikai paraméterei kidolgozatlanok. Ilyenek például a mikroszkopikus méretű pollenek steril izolálása, a DNS feltárás technikája a fosszilis anyagokból, valamint azoknak a fragmentális DNS szálaknak a felkutatása, melyek megőrződésére nagy esély van. E célokat kitűzve látott hozzá a kutatócsoport a Taul dintre Brazi tó (1. ábra) 533 cm-es üledékmélységében található, és radiokarbon módszerrel 11 ezer évesnek korolt lucfenyő pollenjeinek és egy teljes tobozának genetikai vizsgálatához. A sikeres izolálását követően (2. ábra) a kutatók rövid kloroplaszt DNS szakaszok felsokszorozását hajtották végre a Természettudományi Múzeum DNS laboratóriumában.

1. ábra. Üledékmintavételezés a Retyezát-hegység gleccsertavain. (a) Taul dintre Brazi (1740 m); (b) üledékmintavétel a Taul dintre Brazi-n; (c) Gales-tó (1990 m); (d) üledékmintavétel a Gales-tavon; (e) a Taul dintre Brazi üledéke 500 és 600 cm közt, a piros kör a paleo-DNS minta helyét jelöli 533 centiméteres mélységben.

A 11 ezer éves mag és pollen DNS szekvenciák az első betelepülő populáció genetikai állományát hordozzák, mely a holocén felmelegedés hatására telepedett meg az 1740 m magasságban elhelyezkedő tó körül. Az első sikeres DNS izolálás, felsokszorozás és szekvenálás eredményeként előálló szekvenciák (2. ábra) számos mikroszatellit és intergénikus spacer DNS szakaszon variábilisnak bizonyultak, azaz több allél variánst hordoznak. Jelenleg is folyamatban van ezeknek a fosszilis DNS szekvenciáknak az összevetése a hegységben ma élő populációkkal és Európa más pontjain élő lucfenyő állományokkal. Az eddigi eredmények alapján már biztosan állíthatjuk, hogy a Retyezát hegység unikális DNS variabilitással és számos, csak a hegységre korlátozódó allél variánssal rendelkezik. A kora-holocén populáció emellett több olyan allélt is hordozott, mely mára eltűnt, nagy valószínűséggel a genetikai sodródás eredményeképpen. Ebben pedig jelentős szerepet játszhatott az emberi tevékenység, nagy területek lucfenyves állományainak tarra vágásával és ezáltal a genetikai diverzitás jelentős csökkentésével.
Összegezve az eredményeket, a paleo-DNS kutatás jelentős módszertani előrelépést hozott, mivel az eddig végzett hasonló jellegű kutatásokhoz képest jóval nagyobb volt a sikeres DNS amplifikálások aránya: 126 pollen mintából 18 esetben sikerült fosszilis DNS szekvenciát kinyerni. A tobozból származó lucfenyő magok esetében ez az arány még ennél is magasabb: a 6 db magból 5 tartalmazott DNS-t, és összesen 15 db rövid (200 bázis pár körüli) kloroplaszt DNS fragmentum szekvenálása történt meg.

2. ábra. A fosszilis lucfenyő polleneken és magokon végzett paleo-DNS kutatás menete. (a) pollenszemek izolálása és tisztítása mikroszkóp alatt; (b) lucfenyő (Picea abies) pollenek mozgatása vízcseppek közt Hamilton fecskendővel; (c) fosszilis pollenek DNS amplifikálását szolgáló reakciók (PCR) összerakása jégágyon; (d) 11 ezer éves lucfenyő pollen plasztid genomjának mikroszatellit DNS szekvenciája (trnT-trnL régió).

Hasonló jellegű kutatás a jövőben a Kárpátok más fafajainak fosszilis és recens állományain is végrehajtható, és segítségével tisztázható a mai állományok őshonosságának kérdése, kijelölhetők olyan erdőállományok, melyek védelme a bennük rejlő genetikai diverzitás megőrzése szempontjából rendkívül fontos, hiszen a fosszilis adatsor igazolhatja egy terület refúgiális szerepét. Vizsgálataink továbbá rávilágítottak a tavi üledékekbe zárt fosszíliák közül a magok paleo-DNS vizsgálatának lehetőségére. Ez a növényi képlet ellenálló burkának köszönhetően, oxigénmentes környezetben kimutatható mennyiségű DNS fragmentumot őriz meg.

Dr. Magyari Enikő további projektjei