Taufliege Drosophila nigrosparsa

Vielfalt in den Genen

Durch die vergleichende Analyse des Erbguts verwandter Arten von Taufliegen konnten Forscher um Francesco Cicconardi erstaunliche Einblicke in den Gang der Evolution gewinnen. So konnten sie zeigen, dass eine alpine Taufliege im Vergleich zu ihren Verwandten zahlreiche Gene verloren und sich durch feine genetische Modifikationen an das Leben in 2.000 Meter Höhe angepasst hat.

Francesco Cicconardi ist Postdoc am Institut für Ökologie. Er arbeitet mit endlos langen Buchstabenreihe, die den Code im Erbgut von Taufliegen darstellen. Am Computer vergleicht er die genetischen Daten von vielen Arten und sucht nach Spuren der evolutionären Entwicklung dieser Organismen. Der gebürtige Italiener hat in Siena Molekularbiologie studiert und kam über Stationen in Großbritannien und Panama vor drei Jahren in die Arbeitsgruppe von Birgit Schlick-Steiner und Florian Steiner. Mit molekularbiologischen Methoden untersuchen die Forscher dort die genetische Entwicklung von Organismen im Laufe der Evolution und die darin wurzelnde Biodiversität. „Die modernen Methoden der Gensequenzierung haben hier ein neues, sehr spannendes Forschungsfeld eröffnet“, erzählt Francesco Cicconardi. „Während ich als Doktorand noch mit einzelnen Modellorganismen und zwei bis vier Genen arbeiten musste, kann heute das gesamte Genom eines Insekts innerhalb einer Woche sehr einfach und günstig sequenziert werden.“ Durch den Vergleich der Gene von verwandten Arten können die Forscher der Evolution quasi auf die Finger schauen. 

Anpassung im Erbgut ablesbar

In einer großangelegten Studie hat das Team das Erbgut von zahlreichen unterschiedlichen Arten aus der Familie der Taufliegen verglichen. „Wir wollten herausfinden, welche Gene dieser Insekten für die Evolution am wichtigsten sind“, schildert Cicconardi. Manche der Arten sind über die ganze Erde verbreitet. Andere haben sich auf bestimmte Lebensräume spezialisiert, wie Drosophila nigrosparsa, die im Alpinen Raum in 2.000 Metern Höhe lebt. Die mit ihr verwandte Drosophila grimshawi lebt auf den Inseln von Hawaii. Sie nutzt ihre gemusterten Flügel zur Brautwerbung und für andere soziale Interaktionen. Die Innsbrucker Wissenschaftler haben nun ähnliche Gene im Erbgut der Taufliegen gesucht und jene identifiziert, die sich im Verlauf der Evolution am raschesten verändert haben. „Während Gene, die für den Organismus existentielle Bedeutung haben, sich in der Evolution kaum verändern - also stark konserviert sind -, sind andere eher für die Anpassung an die Umwelt zuständig und deshalb entscheidend für die Biodiversität.“ Bei den Taufliegen fanden die Forscher jeweils über 1.000 Gene, die Veränderungen zeigen. Während es oft schwierig ist, den Grund für spezifische Modifikationen zu finden, gibt es in einigen Fällen doch starke Hinweise. So sind es bei der in Hawaii lebenden Drosophila grimshawi vor allem Gene, die mit dem Aussehen der Fliege zusammenhängen. Die Wissenschaftler spekulieren, dass dies vor allem mit der veränderten Funktion der Flügel zusammenhängt, die artspezifische Zeichnungen aufweisen.

Grobe und feine Spuren im Erbgut

In einer Arbeit im Fachmagazin Scientific Reports (Nature Publishing Group) haben die Innsbrucker Ökologen sich gezielt mehrere Genfamilien der in den Alpen lebenden Drosophila nigrosparsa angeschaut. Die untersuchten Gene produzieren Rezeptor- und Transportproteine, die für den Geruchs- und Geschmackssinn der Fliegen wichtig sind. Über den Vergleich mit anderen Arten kamen die Forscher zum überraschenden Befund, dass bei der alpinen Taufliege zahlreiche dieser Gene im Laufe der Evolution verloren gegangen sind. „Dies dürfte mit der Anpassung an die karge Umgebung in den Alpen zusammenhängen“, vermutet Francesco Cicconardi. „Wo es wenige und nur sehr spezielle Dinge zu fressen gibt, benötigen die Tiere keinen sehr ausgeprägten Geruch- oder Geschmacksinn. Und in der Evolution gilt: “If you don’t use it, you lose it!“

Eine Analyse der genetischen Veränderungen an den Rezeptoren zeigte, dass Drosophila nigrosparsa auch sehr kleine und feine genetische Veränderungen durchlebt hat, die die Geruchs- und Geschmacksrezeptoren so umgeformt haben, dass sie für andere Stoffe als bei verwandten Taufliegen durchlässig werden. „Diese Taufliegenart zeigt also zwei sehr unterschiedliche Formen der Anpassung an die Umwelt: Einerseits stellen wir einen großen Verlust an Genen gegenüber ihren Verwandten fest, andererseits wurden die Rezeptoren in den Zellmembranen über sehr feine genetische Veränderungen an die Umwelt angepasst“, sagt Cicconardi. „Unser Ansatz eröffnet sehr viele neue Möglichkeiten, diese Mechanismen besser zu verstehen. Allein durch die Analyse des Genoms lässt sich die Biologie einer Art besser verstehen.“ Den gleichen Ansatz wollen die Forscher der Arbeitsgruppe Molekulare Ökologie nun bei einer alpinen Ameisenart anwenden.

Genetische Vielfalt in Gefahr

Die Welt der Insekten bietet eine unglaubliche Vielfalt. Allein die Familie der Ameisen umfasst mehr als 13.000 Arten, ihre Geschichte reicht über 100 Millionen Jahre zurück. Indem die Forscher an diesen Organismen Gene untersuchen, die auch im Menschen vorhanden sind, gewinnen sie Wissen über deren Funktionsweise und evolutionäre Veränderung. Zusammen mit den neuen Methoden zur Genmanipulation - Stichwort Crispr - eröffnen sich hier vielfältige Möglichkeiten. Francesco Cicconardi spricht von einer DNA-Revolution und erwähnt als Beispiel die Landwirtschaft. Heute sind die meisten Nutzpflanzen spezialisierte Züchtungen, zum Beispiel gibt es von Bananen oder Kartoffeln nur noch eine individuelle Art. Diese genetische Armut könnte eines Tages etwa durch einen Krankheitsbefall rasch in die Lebensmittelkrise führen. Mit dem Wissen über die genetische Anpassung im Laufe der Evolution könnte dort möglicherweise technologisch eingegriffen werden; hier werden Vorsicht und ethisches Verhalten gefordert sein, und die Gesetzgebung wird vor neue Aufgaben gestellt werden. Eines zeichnet sich klar ab – die genetische Vielfalt der Natur beherbergt unglaubliches Potential und wir sollten unser Möglichstes tun, sie zu erhalten, betont Cicconardi.


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