Oude ijstijden bepalen hoe zeegras nu omgaat met veranderingen

De evolutionaire geschiedenis werpt langere schaduwen dan werd aangenomen, zo blijkt uit een nieuw artikel dat 1 augustus is gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences. Wetenschappers van het Smithsonian Institution (VS) hebben met collega’s, waaronder RUG emeritus hoogleraar Jeanine Olsen, verschillende zeegrasvelden onderzocht. Deze planten vormen op veel plaatsen de basis van het voedselweb langs de kusten van de Noord-Atlantische en de Stille Oceanen. Het onderzoek laat zien dat de oeroude genetische geschiedenis een belangrijkere rol speelt dan het huidige klimaat als het gaat om de bepaling van de grootte en structuur van zeegras, en van de soorten die in de velden leven. Dit kan mede bepalen hoe goed zeegras zich kan verweren tegen bedreigingen zoals klimaatverandering.

Ongeveer een half miljoen jaar geleden, toen de wereld warmer was dan nu, maakten zeegrasplanten de lastige reis van hun thuisgebied in de Stille Oceaan naar de Atlantische Oceaan. Niet alle planten waren gehard genoeg om die reis via de Noordpool te overleven. De planten die dat wel deden kregen in het Pleistoceen een serie ijstijden over zich heen, die bepaalden hoe ver ze zich konden verspreiden. Deze duizenden jaren oude strijd om te overleven heeft een blijvende stempel gedrukt op het DNA van de planten: vandaag de dag zijn zeegras populaties in de Atlantische Oceaan minder genetisch divers dan soortgenoten in de Stille Oceaan.

In het kader van het klassieke debat over genen versus milieu was het een grote verrassing voor wetenschappers om te zien dat een genetische erfenis soms meer invloed heeft op moderne zeegras gemeenschappen dan de huidige omgeving. ‘We wisten al dat er een grote genetische scheiding was tussen zeegrassen uit beide oceanen, maar niemand van ons had er rekening mee gehouden dat die belangrijker waren dan de invloed van het huidige milieu’, vertelt Emmett Duffy, mariene bioloog van het Smitsonian Environmental Research Center en hoofdonderzoeker van het gepubliceerde werk. ‘Dat was voor ons allemaal een enorme verrassing.’

Warm water

Zeegras is de meest wijd verspreide plant in de ondiepe wateren van deze wereld. Het komt voor van de semi-tropische gebieden zoals de baai van Californië tot aan Alaska en de Arctische regio. Het levert niet alleen voedsel en een woonplaats voor allerlei zeedieren, maar is ook belangrijk voor mensen. Zeegras beschermt kusten tegen stormen, neemt koolstof op en kan zelfs het aantal schadelijke bacteriën in water verminderen.

Maar op de meeste plekken waar het groeit is Zostera-zeegras de dominante – of enige – soort die aanwezig is. Daarom is het cruciaal voor mens en dier dat het kan overleven. De lage genetische diversiteit van zeegras in de Atlantische Oceaan maakt het lastig voor de planten om zich aan te passen aan snelle veranderingen. ‘Diversiteit is te vergelijken met veel verschillend gereedschap in je koffer hebben’, zegt Jay Stachowicz, mede-auteur van het artikel en ecoloog aan de Universiteit van Californië in Davis. ‘Wanneer je alleen maar een hamer hebt kun je ergens spijkers in slaan, maar dat is het dan ook. Met een complete set gereedschap kun je verschillende klussen efficiënt aanpakken.’

Ecologen hebben zeegras al zien verdwijnen uit sommige regio’s door de opwarming van het water. In Portugal, de zuidelijkste plek voor de planten in Europa, begint het zeegras zich naar koeler water in het noorden terug te trekken. ‘Ik denk niet dat zeegras verdwijnt, in de zin dat het uitsterft’, zegt Olsen. ‘Dat zal niet gebeuren, de planten hebben nog wel wat overlevingstrucen in huis.’ Maar plaatselijk zal de plant zeker verdwijnen, benadrukt zij. Daardoor kunnen regio’s die afhankelijk zijn van zeegras in problemen komen.

ZEN met zeegras

Het besef dat we zeegrassen beter moeten begrijpen en beschermen bracht Duffy en zijn collega’s er toe om samen te werken in een wereldwijd netwerk genaamd ZEN. Dit staat voor Zostera Experimenteel Netwerk, een verwijzing naar de wetenschappelijke naam van zeegras, Zostera marina. Het idee was zeegras-onderzoekers van over de hele wereld te verenigen, om samen experimenten en observaties te doen en zo een overkoepelend beeld te krijgen van de gezondheid van zeegras.

Voor het nu gepubliceerde onderzoek zijn zeegras gemeenschappen op vijftig locaties in de Atlantische en Stille Oceaan bestudeerd. Er zijn twintig veldjes per locatie, wat gegevens over duizend stukken zeegras opleverde. Allereerst is basale informatie verzameld: grootte, vorm en totale biomassa van het zeegras en de verschillende dieren en algen die op en rond de velden leven. Daarna is genetische informatie verzameld van de verschillende zeegras populaties. En er zijn overal omgevingsfactoren gemeten, onder meer temperatuur, zoutgehalte van het water en beschikbaarheid van voedingsstoffen. Uiteindelijk moest dit duidelijk maken wat de zeegras gemeenschap vormt: vooral de omgeving, of vooral de genen?

Nadat ze hun gegevens in een serie modellen hadden verwerkt ontdekten de onderzoekers een groot aantal verschillen tussen het zeegras ecosystemen in de Stille Oceaan en de Atlantische Oceaan. Die hingen sterk samen met de genetische verschillen veroorzaakt door de migratie in het Pleistoceen en de daarop volgende ijstijden. Waar zeegras in de Stille Oceaan groeit in ‘bossen’ die één tot wel twee meter hoog zijn, bleek dat in de Atlantische Oceaan vooral veel lagere zeegras-‘weiden’ groeiden. De genetische verschillen beïnvloedden ook in de totale biomassa van zeegras. In de Atlantische Oceaan speelde de evolutionaire invloed op de genetica net zo’n sterke rol bij de omvang van de biomassa als invloeden uit de omgeving. In de Stille Oceaan bepaalden vooral de genen hoeveel zeegras-biomassa er kon groeien.

De gevolgen werken door tot in andere delen van het ecosysteem. De genetische gevolgen van het Pleistoceen hebben bijvoorbeeld een sterkere invloed op de kleine diertjes die in zeegras leven, zoals ongewervelden, dan de milieu-invloeden in de Stille Oceaan. Maar die twee hebben in de Atlantische Oceaan ongeveer evenveel effect. ‘De erfenis van de migratie in het Pleistoceen en de flessenhals waar het zeegras in de Atlantische Oceaan doorheen is gegaan hebben dus gevolgen voor de structuur van het ecosysteem nu, tienduizend jaar later’, vertelt Duffy. ‘En vermoedelijk meer dan tienduizend jaar.’

Toekomst

Dat de genetische effecten van het verre verleden zo’n sterke rol spelen, soms zelfs een sterkere rol dan het huidige milieu, baart ecologen zorgen. Kan zeegras zich wel aanpassen aan snelle veranderingen? ‘Klimaatverandering is op zich niet de grootste bedreiging voor zeegras’, stelt Olsen. Vervuiling door kuststeden en landbouw, die het water troebel maakt en tot schadelijke algenbloei kan leiden, is ook een bedreiging. Maar toch, dat zeegras in allerlei verschillende situaties kan overleven getuigt van de taaiheid van de plant. ‘Ik ben hoopvol omdat onze resultaten de veerkracht van zeegras laten zien over een lange periode waarin herhaaldelijk grote veranderingen plaatsvonden. Er waren veranderingen in de temperatuur en de verschillende woongebieden waarin het groeide die zich uitstrekken over ongeveer de helft van het Noordelijk halfrond’, aldus Olsen. ‘Met de genetische kennis die we nu hebben van zeegras kunnen we ontdekken welke functionele veranderingen in de genen plaatsvonden en hoe die gereguleerd zijn. Daar ben ik erg enthousiast over.’

Een eerste stap is het beschermen van bestaande zeegrasvelden en van hun genetische diversiteit. Op plaatsen waar zeegras is verdwenen is herstel van de planten een veelbelovende optie. Er zijn al wat succesverhalen, zoals voor de oostkust van de Amerikaanse staat Virginia. Maar andere pogingen tot herstel hadden maar beperkt succes. Er liggen dus nog allerlei vragen, stelt Stachowicz: ‘Moet je zeegrasvelden herstellen met lokale planten, of zou je vooruit moeten denken en planten gebruiken die genetisch beter zijn aangepast aan verwachte veranderingen in het milieu? Of moet je allebei doen om het risico te spreiden?’ De genetische diversiteit bewaren of versterken lijkt de beste manier om zeegrasvelden genoeg gereedschap te geven om te overleven in een onzekere toekomst.

Oorspronkelijke tekst: Smithsonian Institution
Referentie: J. Emmett Duffy, John J. Stachowicz, Pamela L. Reynolds en Jeanine L. Olsen c.s.: A Pleistocene legacy structures variation in modern seagrass ecosystems. PNAS 1 Augustus 2022