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GENART

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GENART

Funktionelle GENomik biologischer ARTbildung

Die Aufspaltung einer biologischen Art in zwei reproduktiv isolierte Arten ist der entscheidende Schritt bei der Entstehung biologischer Artenvielfalt. Ein Verständnis der evolutionären Mechanismen, die zur Differenzierung von Populationen und Entstehung neuer Arten führen, gehört daher zu den grundlegendsten und auch aktuellsten Themen der Evolutions- und Biodiversitätsforschung. Während die ökologischen Mechanismen und biogeographischen Muster der Artbildung vergleichsweise gut untersucht sind, wissen wir nur wenig über die genetischen Grundlagen von ökologischer Anpassung und Artbildung. Benötigt wird ein Forschungsansatz, der ein systematisches Durchsuchen ganzer Genome nach funktionell wichtigen Genen ermöglicht. Diese Perspektive bietet nun die Next-Generation-Sequencing (NGS)-Technologie, die es erlaubt, die Beschränkung auf genetische Modellorganismen zu überwinden und neue Fokusarten entsprechend ihrer Eignung für ökologische und evolutionsbiologische Fragestellungen heranzuziehen.

Mit Hilfe der Analyse von Transkriptomen (Gesamtheit der in einer Zelle in RNA umgeschriebenen Gene) werden wir bei drei evolutionär erfolgreichen Tiergruppen deren Genome nach den für Artbildung funktionell wichtigen Genen durchsuchen und deren Funktionen charakterisieren. Dazu haben wir ein Netzwerk aus Molekulargenetikern, Neuroethologen, Bioinformatikern und Evolutionsbiologen aus sechs Forschungseinrichtungen in Berlin und Potsdam aufgebaut.

Entscheidend ist die Auswahl geeigneter Fokusarten. Die von uns ausgewählten Tiergruppen (Feldheuschrecken, Grillen und Nilhechte) zeigen eine entscheidende Gemeinsamkeit: zur Partnerfindung verwenden sie komplexe Kommunikationssignale, die unter sexueller Selektion stehen und deren Zeitstruktur die entscheidenden Merkmale für Arterkennung und damit für die reproduktive Isolation von Arten liefern. Entsprechend sind auch bei allen drei Taxa die sensorischen Empfängermechanismen auf die Analyse von Zeitmustern spezialisiert. Generell gilt sexuelle Selektion als wichtige Triebfeder für die Entstehung biologischer Vielfalt, da sie die schnelle Evolution effektiver Hybridisationsbarrieren fördert. Hohe Artbildungsraten und nah verwandte Arten bieten ideale Voraussetzungen für das hier vorgestellte funktionsgenetische Forschungskonzept.

Tiergruppen

Feldheuschrecken

Die Heuschreckengattung Chorthippus ist durch eine außerordentlich große Zahl nah verwandter Arten charakterisiert. Die artspezifischen Gesänge und Gesangspräferenzen erzeugen effektive prägame Hybridisationsbarrieren und haben entscheidend zur raschen Artbildung beigetragen. Nah verwandte Arten sind morphologisch und genetisch kaum differenziert, zeigen aber zumeist deutliche Unterschiede in ihren akustischen Signalen, die zur Partnerfindung dienen und wichtige Hybridisationsbarrieren bilden. Interessanterweise fanden wir an einzelnen Genomorten fixierte Unterschiede, wobei es sich um Gene handelt, die auch bei der Taufliege Drosophila das Gesangsmuster beeinflussen. Dies ist ein erster Hinweis, dass bei ganz unterschiedlichen Tiergruppen dieselben Gene das Zeitmuster von Kommunikationssignalen beeinflussen können. Hinsichtlich der Evolution der neuronalen Zelleigenschaften hat eine quantitative Analyse gezeigt, dass die Antworteigenschaften homologer Neuronen der peripheren Hörbahn bei Locusta migratoria und C. biguttulus hoch konserviert sind, obwohl die beiden Arten seit etwa 50 Millionen Jahren eine getrennte Evolution durchlaufen haben.

Grillen

Auch die Neuroethologie der akustischen Kommunikation bei Grillen ist ein intensiv untersuchtes Modellsystem. Verhaltensstudien an F2-Hybriden von Teleogryllus oceanicus und T. commodus führten zur vielbeachteten Hypothese, dass Gesangs- und Gesangspräferenzgene genetisch gekoppelt sind, was wir in unserem Projekt überprüfen möchten. Für die Untersuchung der neuronalen und genetischen Grundlagen von sexuellen Selektionsprozessen und der Varianz von Signalmerkmalen wurden für Feldheuschrecken und Grillen Hochdurchsatz-Apparaturen aufgebaut, die eine weitgehend automatisierte Untersuchung vieler Individuen ermöglichen. Inter-spezifische Hybride können im Labor gezüchtet und ihr Verhalten untersucht werden.

Nilhechte

Untersuchungen an afrikanischen Nilhechten (Mormyridae) der Gattung Campylomormyrus haben gezeigt, dass die Divergenz im Zeitmuster der Entladung elektrischer Signale der evolutionäre Auslöser für die rasche Artbildung in dieser Gattung ist. Weibchen wählen ihren Partner entsprechend der artspezifischen Entladung aus, wobei es unerheblich ist, ob dieses Signal von einem realen Männchen oder artifiziell als Playback erzeugt wird.

Team

  • PD Dr. Frieder Mayer (Projektleiter und Sprecher), Museum für Naturkunde – Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung
  • Prof. Dr. Bernhard Ronacher (Projektleiter), Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin
  • Prof. Dr. Matthias Hennig (Projektleiter), Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin
  • Prof. Dr. Ralph Tiedemann (Projektleiter), Institut für Biochemie und Biologie der Universität Potsdam
  • Dr. Camila Mazzoni (Projektleiterin), Berlin Centre for Genomics in Biodiversity Research (BeGenDiv) und Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung
  • Dr. Christoph Dieterich (Projektleiter), Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) des Max-Delbrück-Zentrums für Molekulare Medizin

Beteiligte Institutionen

  • Museum für Naturkunde (MfN) – Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung

und die Vernetzungspartner

Förderung

Das Projekt wird mit 1,04 Millionen Euro von der Leibniz-Gemeinschaft aus Mitteln des Paktes für Forschung und Innovation gefördert.