Wie man auf dem Wasser läuft: das Geheimnis der Evolution vom Landinsekt zum Wasserinsekt lüften
Heteroptera und Gerromorpha, zwei Arten von semiaquatischen Insekten, dominieren weltweit die Wasserflächen und sind zu einer Art wissenschaftlicher Kuriosität geworden. Um diese Anpassung zu verstehen — diese Insekten sind nichts anderes als eine Weiterentwicklung ihrer terrestrischen Pendants — werden integrative Studien benötigt, die evolutionäre Entwicklungsbiologie und Evolutionsökologie miteinander kombinieren. Das Projekt WATER WALKING (Developmental genetics and adaptive bases of a major ecological transition - How to walk on water!) versucht, genau das zu erreichen. Abderrahman Khila, Gruppenleiter am ENS de Lyon, hatte einen Multi-Level-Ansatz entwickelt, um zu untersuchen, wie das Zusammenspiel zwischen genetischen Entwicklungspfaden und der ökologischen Umwelt die morphologische Entwicklung antreiben kann, so wie diese bei den semiaquatischen Insekten zu beobachten ist. Warum ist es so schwierig, die evolutionäre Entwicklungsbiologie in die Evolutionsökologie zu integrieren? Wir brauchen Werkzeuge und wir brauchen zugleich einen guten ökologischen Kontext. Aktuelle Standardmodelle (Drosophila, Mäuse, Zebrabärbling, etc.) bieten großartige Werkzeuge, verfügen aber nicht über den ökologischen Kontext. Natürliche Modelle, die in der Regel aufgrund eines spezifischen ökologischen Kontextes ausgewählt werden, sind nicht für eine routinemäßige Anwendung von ausgefeilten Werkzeugen, wie Transgenese oder Genetik, ausgelegt. Wie kann die Untersuchung von semiaquatischen Insekten helfen, diese Probleme zu überwinden? Semiaquatische Insekten werfen eine besonders interessante Reihe von biologischen Problemen auf, die uns helfen, Fragen im Zusammenhang mit der Anpassung und Diversifizierung von Arten anzugehen. Darüber hinaus haben sich diese Insekten in Bezug auf die Übertragung von bestimmten genetischen Werkzeugen als durchaus zugänglich erwiesen: Es ist möglich, diese Fragen in einer detaillierten und integrativen Art und Weise zu beantworten, was bedeutet, dass Entwicklungsgenetik mit Ökologie und Evolution kombiniert wird. Auffallend an der Biologie dieser Gruppe von Insekten ist ihre Fähigkeit, die Wasseroberfläche als neuen Lebensraum (ihre Vorfahren lebten an Land) zu besetzen und damit neue ökologische Chancen zu erwerben. Dieser Übergang wird von einer großen Menge an auffälligen Phänotypen begleitet. Dazu zählen verlängerte Beine, Umkehrung der relativen Beinlänge (das zweite Beinpaar ist bei Wasserläufern am längsten, während bei den meisten anderen Insekten das dritte Beinpaar das Längste ist) sowie die Art, wie sie sich auf dem flüssigen Untergrund bewegen. Sie weisen auch eine Reihe von sexuell relevanten Phänomenen wie spektakuläre Dimorphismen und eine phänotypische Plastizität auf, die oft durch den Konflikt zwischen den Arten angetrieben wird. Zusammen mit den Werkzeugen waren wir damit in der Lage, etwas im Zusammenhang mit der Integration von Ökologie, Evolution und Entwicklungsgenetik zu bewirken. Wie sind Sie beim Studium dieser Insekten vorgegangen? Ich wurde gebeten, an einer Studie zur genetischen Grundlage der sexuellen Konflikte beim Wasserläufer von Prof. Locke Rowe (Universität Toronto) in Zusammenarbeit mit Prof. Ehab Abouheif (McGill University, Montreal) mitzuarbeiten. Meine erste Bedingung war dann, dass wir versuchen, einige grundlegende Techniken zu testen, was sehr gut funktioniert hat. Es funktionierte so gut, dass ich beschloss, den Rest meiner Karriere auf diesem System aufzubauen. Was sind die wichtigsten Dinge, die Sie bisher gelernt haben? Wasserläufer bewegen sich auf dem Wasser mit einem hocheffizienten Trick: sie haben ein verlängertes zweites paddelförmiges Beinpaar entwickelt, das als Ruder dient. Die rechten und linken zweiten Beine bewegen sich in einer simultanen rudernden Bewegung durch das Wasser, etwa wie beim Rudern mit einem Ruderboot. Die erste Frage, die wir uns stellten, war, wie sich solche morphologischen und funktionellen Modifikationen entwickeln? Wir fanden heraus, dass ein Hox-Gen, das sogenannte Ultrabithorax (Ubx; ist bei wirbellosen Tieren bis hin zum Menschen erhalten), seine räumliche und zeitliche Expression veränderte und dass diese Veränderungen das Aussehen des zweiten Beinpaares prägten. Wirklich überraschend war, dass dieses Gen das zweite Beinpaar verlängerte, aber das dritte Beinpaar verkürzte, was zur charakteristischen Morphologie von Wasserläufern führt. Wir fanden heraus, dass diese entgegengesetzte Funktionsweise des Gens durch Unterschiede in der Menge des Ubx-Proteins vermittelt werden, die in jedem Bein steckt. Insbesondere bei niedriger Dosis, im Fall des zweiten Beinpaars, fördert Ubx das Wachstum, aber in hohen Dosen — beim dritten Beinpaar — unterdrückt Ubx dieses. Wir haben uns gefragt, wie es sein kann, dass Unterschiede in der Dosis zu gegenläufigen Effekten im Wachstum der Beine führen können. Und wir haben festgestellt, dass Gene, die von Ubx reguliert werden, auf die Werte unterschiedlich reagieren. Wir entdeckten erstmalig Mal, dass ein altes Immunsystemprotein, das für die Antigen-Verarbeitung und Präsentation beim Menschen wichtig ist und als „gilt“ bezeichnet wird, jetzt von Ubx gesteuert wird. Bei einer niedrigen Dosis von Ubx (zweites Beinpaar) wird „gilt“ exprimiert und trägt zur Beinverlängerung bei. Bei einer hohen Dosis von Ubx (drittes Beinpaar) ist die Exprimierung von „gilt“ vollständig abgeschaltet, was dazu beträgt, das Bein kürzer zu halten. Neben der Fortbewegung auf Flüssigkeit stellten wir fest, dass die Beinform des Wasserläufers von Räubern ausgewählt wird, die von unterhalb der Wasseroberfläche zuschlagen, wie etwa Fische. Diese Arbeit ermöglicht es uns zu verstehen, wie Selektion (Voraussetzung für die Fortbewegung auf Fluidsubstraten sowie für räuberisches Verhalten) die Tiermorphologie durch Änderungen in einem bereits bestehenden Entwicklungsprogramm und auch durch die Entstehung neuer genetischer Interaktionen formen kann. Was ist vor dem Ende des Projekts noch zu tun? Es gibt mehrere Projekte, die noch nicht abgeschlossen sind. Das erste versucht zu verstehen, wie diese Tiere die Fähigkeit erworben haben, ihr Körpergewicht auf dem Wasser zu halten, während die meisten anderen Tiere untergehen würden. Härchen an den Beinen fangen dabei Luft ein und bilden damit ein Kissen zwischen dem Bein und der Wasseroberfläche. Wir möchten wissen, wie die Form und die Dichte dieser Haare während der Entwicklung festgelegt wurden. Ein weiteres wichtiges Projekt befasst sich mit der Frage, wie evolutionäre Neuerungen entstehen. Einige Arten sind darauf spezialisiert, auf schnell fließendem Wasser zu laufen und haben einen Propeller an der Spitze ihres zweiten Beinpaars entwickelt; eine Art Ventilator. Wir fanden heraus, dass diese Neuheit durch die Entstehung eines neuen Gens durch Duplikation entstand. Das ist spannend, weil man sich allgemein darauf geeinigt hat, dass Neuerungen durch die erneute Nutzung bereits vorhandener Gene entstehen können. Ein letztes Projekt befasst sich mit der sexuellen Selektion. Eine Art von auf Wasser laufenden Insekten weist einen spektakulären Polymorphismus bei den Männchen in Bezug auf die Beinlänge auf; einige Männchen haben kurze Beine (Weibchen auch), aber andere haben extrem lange Beine. Wir wissen jetzt, dass die Beinlänge wichtig beim Kampf der Männchen um das Weibchen ist und dass Männchen mit längeren Beinen oft gewinnen. Wir versuchen zu verstehen, wie sich eine derart spektakuläre phänotypische Plastizität aus ökologischer und Entwicklungsperspektive heraus entwickeln kann. Neben der Integration von zwei Disziplinen, was könnten Ihrer Ansicht nach die wichtigsten Vorteile Ihrer Forschung sein? Die Integration per se ist nicht das Hauptziel. Ziel ist zu verstehen, auf welche Weise Vielfalt entsteht und welche Faktoren dazu beitragen. Die Antworten auf diese wichtige Frage sind zerstreut und unvollständig, da sich die Studienbereiche (wie Entwicklungsbiologie, Ökologie, Populationsgenetik etc.) nicht ausreichend gegenseitig befruchten. Indem wir diese integrieren, hoffen wir, ein umfassenderes Verständnis von Vielfalt im Allgemeinen zu schaffen. WATER WALKING Gefördert unter FP7-PEOPLE CORDIS-Projektseite
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