2012/2013

Sonia E. Sultan, Ph.D.

Professor der Biologie

Wesleyan University, Middletown

Born in 1958 in Massachusetts, USA
Studied History and Philosophy of Science at Princeton University and Organismic and Evolutionary Biology at Harvard University

Arbeitsvorhaben

Organismus und Umwelt

I will be working on a new scientific book that aims to explore the relationship between organisms and their environments and how this relationship shapes the process of evolution. In a conventional neo-Darwinian view, genes dictate the form and function of individual animals and plants, which then either succeed or fail in various environments. In this view, the organism itself all but disappears from the evolutionary process, which is seen to simply match different DNA sequences with various types of external conditions. Over the past decade, advances in (a) the molecular basis of development and (b) the evolutionary ecology of natural populations have suggested an updated view of organisms as dynamic systems interacting with their environments. These organism-environment interactions occur in two key ways. First, the individual's development is directly affected by its environmental circumstances, often in ways that are specifically suited to those circumstances. This area of study is known as "ecological development". Second, the organism's own body, physiology, and behavior shape its ecological niche, and consequently influence its subsequent evolutionary change under natural selection. This complex ecological feedback has been termed "niche construction". I hope to develop an integrated understanding of the organism-environment relationship in the light of current information from these two emergent biological disciplines. This synthesis is particularly timely as biologists seek a unified contemporary framework in which to investigate the developmental outcomes, ecological success, and evolutionary prospects of organisms in rapidly changing environments. The book is under contract with Oxford University Press.

Recommended Reading
Sultan, Sonia E. (2010). "Plant developmental responses to the environment: eco-devo insights." Current Opinion in Plant Biology 13: 96-101.
- (2007). "Development in context: the timely emergence of eco-devo." Trends in Ecology and Evolution 22: 575-582.
- (2000). "Phenotypic plasticity for plant development, function and life-history." Trends in Plant Science 5: 537-542.

Photo: Minou Rufai

Kolloquium, 06.11.2012

Umweltbezogene Reaktionen bei Pflanzen: Ein biologischer Vortrag anhand drei großer Fragen

Die vorherrschende Auffassung von Entwicklung ist unter den Biologen sehr stark auf die Gene konzentriert. Sie beruht auf der Vorstellung, dass die DNA-Sequenz einer Pflanze oder eines Tiers (sein Genotyp) ein Programm darstellt, das die Merkmale und das Verhalten des einzelnen Exemplars bestimmt (seinen Phänotyp). Dieser Gen-Zentrismus hat schwerwiegende Folgen für unser Verständnis davon, wie Organismen funktionieren und welcher Art die Unterschiede zwischen Einzelwesen und Populationen sind. Da die DNA von einer Generation an die nächste gegeben wird, liefert eine gen-zentrische Sichtweise auch die Grundlage für eine besondere Auffassung des Evolutionsprozesses als des Aussortierens spezifischer Gene, um funktional spezialisierte und genetisch verschiedene Gruppen zu schaffen.

Ein alternativer und zunehmend einflussreicher Ansatz geht davon aus, dass sich ein bestimmter Genotyp in Reaktion auf seine besonderen Umweltbedingungen anders entwickelt. In dieser Betrachtungsweise lassen sich phänotypische Ergebnisse sowohl auf die Gene als auch auf die Umwelteinwirkungen zurückführen. Um das Repertoire eines Organismus in Bezug auf seine verschiedenen potentiellen Reaktionen auf die Umwelt (auch "Reaktionsnorm" genannt) zu charakterisieren, ist es notwendig, Kopien desselben Genotyps unter anderen Bedingungen heranzuziehen. Für diese Art von Forschung sind Pflanzen besonders gut geeignet, denn einzelne Genotypen können geklont werden und unter genau definierten alternativen Umwelten angepflanzt werden. Wir wissen auch, welche Umweltfaktoren für die Entwicklung von Pflanzen entscheidend sind: Licht, Wasser und mineralische Nährstoffe. Die Interpretation der funktionalen Auswirkungen von Pflanzenphänotypen ist ebenfalls relativ unkompliziert; daher können umweltbezogene Reaktionen als eine Art Anpassung auf der Ebene der einzelnen Pflanze untersucht werden.

In diesem Vortrag präsentiere ich die Ergebnisse der experimentellen Forschung meiner Laborgruppe; diese belegen die äußerst beeindruckende phänotypische Plastizität, die von den einzelnen Pflanzengenotypen ausgedrückt wird. Ich erörtere, wie Pflanzen ihre Größe, Form und die Proportionen ihrer Organe wie etwa Wurzeln und Blätter auf passende Weise ändern - als Reaktion auf spezifische Begrenzungen in ihrer Umwelt. Dann präsentiere ich Daten, die zeigen, dass Mutterpflanzen, die eine Dürre erfahren haben, die Merkmale ihrer Abkömmlinge adaptiv verändern: Ein generationsübergreifender Aspekt von Reaktionen auf die Umwelt. Neue Forschungsergebnisse über die rasante Evolution von adaptiven Reaktionsmustern bei einer invasiven Art werden ebenfalls erörtert. Auf diese empirischen Daten stütze ich mich, um drei grundsätzliche, aber noch ungelöste biologische Fragen zur Anpassung, Vererbung und Evolution zu formulieren. Diese "großen Fragen" regen mein Schreibprojekt am Wissenschaftskolleg an, in dem ich mich mit der komplexen Beziehung zwischen Organismen und ihren Umwelten befasse.