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Eine der großen Fragen der Biologie ist, wie neue Arten entstehen und wie die unglaubliche Vielfalt der Natur zustande kommt. Eine neue Arbeit, die jetzt im Fachmagazin „Science“ von einem internationalen Team veröffentlicht wurde, bringt uns der Antwort einen Schritt näher. Sie zeigt die wichtige Rolle einer genetischen Besonderheit – der sogenannten „Supergene“.
Buntbarsche aus dem Malawisee in Ostafrika bieten einen faszinierenden Anhaltspunkt, um zu verstehen, wie die Vielfalt des Lebens auf der Erde entstanden ist. In diesem einzigen See haben sich über 800 verschiedene Arten von Buntbarschen aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt. Diese Entwicklung ist dabei in einem Bruchteil der Zeit abgelaufen, die den Menschen vom Schimpansen trennt. Zudem ist bemerkenswert, dass diese Bildung von so vielen Arten ohne physische Barrieren stattfand. Die Fische lebten während des Prozesses in ein und demselben Gewässer, ohne dass die Buntbarsche örtlich getrennt wurden.
Erstaunlich viele Arten, erstaunlich schnell
Einige dieser Buntbarsche wurden während dieser Entwicklung zu großen Raubfischen, andere passten sich an, um Algen zu fressen, Sand zu durchwühlen oder sich von Plankton zu ernähren. Jede Art fand ihre eigene ökologische Nische. Wie konnte dies so schnell geschehen? In der Studie analysierten die Hauptautoren Hannes Svardal von der Universität Antwerpen und Moritz Blumer von der Universität Cambridge gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam das Erbgut der Buntbarsche. Astrid Böhne vom Leibniz-Institut zur Analyse des Biodiversitätswandels in Bonn untersuchte dabei gemeinsam mit anderen Forschenden mögliche Geschlechtschromosomen.
Den Forschenden fiel bei ihren Untersuchungen eine Besonderheit in den Genen auf: „Wir entdeckten, dass bei einigen Arten große Teile der DNA auf fünf Chromosomen umgedreht sind – eine Art von Mutation, die als Chromosomeninversion bezeichnet wird“, so Hannes Svardal. Astrid Böhne hebt hervor, dass es bei den Buntbarschen in Malawi insgesamt bei erstaunlich vielen Arten zu einer Inversion genomischer Regionen gekommen ist: „Diese Inversionen haben einen großen Anteil am Erfolg der Buntbarsch-Arten im Malawisee. Wir konnten zeigen, dass die Inversionen in den Malawi-Buntbarschen per Genfluss zwischen Arten weitergegeben wurden, welche wiederum explosionsartig neue Arten gebildet haben. Diese sind auf vielfältige Weise an verschiedene ökologische Bedingungen im See angepasst und haben ihre Körper entsprechend verändert.“
Arten getrennt halten
Normalerweise wird bei der Fortpflanzung von Tieren die DNA in einem Prozess namens „Rekombination“ neu gemischt – das genetische Material beider Elternteile wird kombiniert. Wenn jedoch ein Chromosom umgedreht wird, ist die Vermischung in dieser Region blockiert. Das bedeutet, dass bestimmte Genkombinationen unverändert weitergegeben werden können, Generation für Generation. Diese erhaltenen Genblöcke werden manchmal als „Supergene“ bezeichnet.
Bei den Malawi-Buntbarschen scheinen diese Supergene mehrere wichtige Rollen zu spielen. Obwohl sich Buntbarsch-Arten immer noch kreuzen können, hilft die umgedrehte DNA, die Arten voneinander zu trennen. Sie verhindert, dass sich ihre Gene zu sehr vermischen. Dies ist vor allem in Teilen des Sees nützlich, in denen die Fische nebeneinander leben – wie in offenen Sandgebieten, wo es keine physische Trennung zwischen den Lebensräumen gibt.
Schlüsselfaktor in der Evolution
Interessanterweise steuern die Gene in diesen Supergenen oft Eigenschaften, die für das Überleben und die Fortpflanzung entscheidend sind - wie Sehkraft, Gehör und Verhalten. Fische, die bis zu 200 Meter tief im See leben, brauchen zum Beispiel andere visuelle Fähigkeiten als Fische in der Nähe der Oberfläche. Die Supergene helfen, diese speziellen Anpassungen aufrechtzuerhalten. Hauptautor Moritz Blumer, Doktorand an der Universität Cambridge, hebt hervor: „Wir haben Fälle gefunden, in denen Hybridisierungsereignisse, das heißt Verpaarungen zwischen Arten, die Übertragung ganzer Inversionen ermöglicht haben. Somit wurden bestimmte ökologische Anpassungen übertragen.“
Was können wir von Buntbarschen über andere Arten lernen?
Ein weiteres faszinierendes Detail betont Co-Erstautorin Valentina Burskaia von der Universität Antwerpen: Die Forschenden hätten festgestellt, dass „in einigen Fällen diese umgedrehten Regionen nun als Geschlechts-chromosomen fungieren und dabei helfen, zu bestimmen, ob ein Fisch männlich oder weiblich wird. Da Geschlechtschromosomen beeinflussen können, wie sich neue Arten bilden, ergeben sich daraus spannende neue Fragen darüber, wie die Evolution funktioniert.“
Die aktuelle Studie konzentriert sich dabei zwar auf Buntbarsche, aber Chromosomenumkehrungen kommen auch bei vielen anderen Tieren und auch beim Menschen vor. So werden sie zunehmend als Schlüsselfaktor für die Evolution und die biologische Vielfalt angesehen.
Damit liefert die Science-Veröffentlichung wichtige Erkenntnisse zum Prozess der Artbildung, den Forschende seit langem untersuchen. Durch Erkenntnisse dazu, wie Supergene entstehen und sich ausbreiten, rückt die Antwort auf eine der größten Fragen der Wissenschaft näher: Die Antwort auf die Frage, wie das Leben auf der Erde so reichhaltig und vielfältig geworden ist.
Dr. habil. Astrid Böhne
LIB Museum Koenig Bonn
Sektionsleitung Vergleichende Genomik Wirbeltiere, Bonn
Tel. +49 228 9122 365
E-Mail: a.boehne@leibniz-lib.de
Introgression dynamics of sex-linked chromosomal inversions shape the Malawi cichlid adaptive radiation, Science, www.science.org/doi/10.1126/science.adr9961
Verschiedene Malawi-Buntbarsche in den flachen Gewässern von Otter Point, Malawi
LIB, Hannes Svardal
Malawi-Buntbarsche auf dem Forschungsschiff der „Malawian Fisheries Research Unit“
LIB, Hannes Svardal
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wissenschaftler
Biologie, Meer / Klima, Tier / Land / Forst, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Verschiedene Malawi-Buntbarsche in den flachen Gewässern von Otter Point, Malawi
LIB, Hannes Svardal
Malawi-Buntbarsche auf dem Forschungsschiff der „Malawian Fisheries Research Unit“
LIB, Hannes Svardal
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