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Wie vollzieht die Evolution den Wechsel von klassischer sexueller Fortpflanzung hin zu asexueller Fortpflanzung ganz ohne Männchen? Eine neue Studie von Forschenden der Universitäten Lausanne, Lund und Rostock zeigt: Dieser bemerkenswerte Übergang kann über mehrere evolutionäre Zwischenstufen erfolgen.
Fortpflanzung ohne Männchen
Die Evolution von Sex gehört bis heute zu den größten Rätseln der Biologie. Obwohl sexuelle Fortpflanzung im Tierreich dominiert, diskutieren Forschende noch immer darüber, warum sich Sex angesichts seiner hohen evolutionären Kosten behaupten kann. Noch geheimnisvoller erscheint jedoch der Verlust von Sex zugunsten asexueller Fortpflanzung: Weibchen erzeugen Nachkommen, ohne dass Männchen beteiligt sind.
Wie die Jungfrau zum Kinde kam
Fast alle Tiere tragen zwei Kopien ihres Erbguts in sich – eine von der Mutter und eine vom Vater. Bei sexueller Fortpflanzung werden diese beiden Genome vermischt und nur eine Kopie mit mütterlichen und väterlichen Genomanteilen an die nächste Generation weitergegeben. Anders ist es bei der Parthenogenese, auch „Jungfernzeugung“ genannt: Hier können beide Genomkopien klonal von der Mutter an die Nachkommen vererbt werden – ganz ohne Vermischung oder andere genetische Veränderungen.
Fortpflanzung der Stabschrecken mit erstaunlicher Vielfalt
Doch wie geht Evolution überhaupt den Weg von Sex zu asexueller Fortpflanzung? Da solche Übergänge in der Natur nur selten direkt beobachtet werden, sind sie sehr schwer zu entschlüsseln. Für ihre Studie wandten sich die Forschenden daher einem der faszinierendsten Verwandlungskünstler der Natur zu: den Stabschrecken. Diese imitieren Zweige und Blätter mit verblüffender Präzision und verschmelzen nahezu unsichtbar mit ihrer Umgebung. Neben ihrer Fähigkeit zur Tarnung verbirgt sich hinter ihnen jedoch noch eine weitere, weniger offensichtliche, aber ebenso erstaunliche Vielfalt – ihre unterschiedlichen Fortpflanzungsstrategien.
Entschlüsselung evolutionärer Übergänge gelungen
Besonders ausgeprägt ist die Fortpflanzungsvielfalt bei mediterranen Stabschrecken der Gattung Bacillus. Bei ihnen nutzen selbst eng verwandte Arten sehr unterschiedliche Strategien, um Nachkommen zu erzeugen. Um die evolutionäre Geschichte der Fortpflanzungsstrategien zu rekonstruieren, analysierten die Forschenden genomische Daten von mehr als 500 Tieren, die sie über mehrere Jahre hinweg auf Sizilien, dem italienischen Festland und in Frankreich gesammelt hatten. Die Mühe zahlte sich aus: Am Ende konnten sie eine überraschend komplexe Abfolge evolutionärer Übergänge entschlüsseln.
Seltene Strategien der Stabschrecken
Die Fortpflanzung bei den Stabschrecken wurde offenbar durch einen Wechsel zu einer außergewöhnlich seltenen Strategie „gerettet“: der Hybridogenese. Bei dieser Form wird nur eines der beiden elterlichen Genome – hier das mütterliche – klonal weitergegeben. Das väterliche Genom wird in jeder Generation während der Bildung der Eizellen entfernt und anschließend durch die Paarung mit Männchen der väterlichen Art wieder ergänzt. Die Hybride „nutzen“ dabei gewissermaßen das Sperma dieser Männchen, um ihren besonderen genetischen Hybridzustand aufrechtzuerhalten.
Viele Generationen später entstand aus der Hybridogenese schließlich die Parthenogenese. Nun wurden plötzlich beide elterlichen Genome unverändert weitervererbt. Doch selbst damit war die Geschichte noch nicht zu Ende: Später integrierte die Linie durch erneute Paarungen sogar ein drittes Genom einer weiteren Art – und es entstanden parthenogenetische Linien mit gleich drei unterschiedlichen Genomen.
Kreuzungsexperimente über mehrere Jahre
Das Forschungsteam konnte mehrere dieser Übergänge experimentell im Labor nachstellen und zeigen, dass der rekonstruierte evolutionäre Weg biologisch tatsächlich möglich ist. Keine kleine Leistung: Stabschrecken benötigen etwa ein Jahr pro Generation, weshalb sich die Kreuzungsexperimente über mehrere Jahre erstreckten.
Vom Feld ins Labor
„Was dieses System so faszinierend macht, ist, dass wir jede einzelne evolutionäre Übergangsphase, die wir aus den Wildpopulationen rekonstruiert hatten, im Labor nachbilden konnten“, erklärt Co-Erstautor Guillaume Lavanchy von der Universität Lund in Schweden. „Jeder Übergang scheint den Boden für den nächsten bereitet zu haben.“
Asexuelle Fortpflanzung gilt oft als evolutionäre Sackgasse. Schließlich bringt sie zahlreiche Nachteile mit sich – etwa die Anhäufung schädlicher Mutationen oder eine geringere Anpassungsfähigkeit. Die neuen Ergebnisse zeichnen jedoch ein anderes Bild: Hybridisierung und der Verlust von Sex könnten neue Möglichkeiten eröffnen und sogar weitere evolutionäre Innovationen fördern.
Grundlage für Verständnis asexueller Fortpflanzung gelegt
Tanja Schwander, Letztautorin der Studie und Professorin am Institut für Ökologie und Evolution der Universität Lausanne, fasst zusammen: „Die Stabschrecken zeigen eindrucksvoll, wie eine einzige genomische Veränderung – in diesem Fall eine Hybridisierung kombiniert mit dem Verlust von sexueller Fortpflanzung – eine ganze Kette evolutionärer Innovationen in Gang setzen kann.“
Alexander Brandt, Erstautor der Studie von der Universität Rostock, betont abschließend die offenen Fragen: „Die unmittelbaren molekularen Ursachen hinter diesen Übergängen sind bislang noch weitgehend ungeklärt. Für uns Forschende hat die eigentliche Arbeit zum Verständnis der Evolution asexueller Fortpflanzung gerade erst begonnen.“
Dr. Alexander Brandt
Universität Rostock
Institut für Biowissenschaften
E-Mail: alexander.brandt@uni-rostock.de
Tel.: +49 381 498-6023
Die Studie erschien in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2535700123
Ein erwachsenes Weibchen der Art Bacillus rossius auf ihrer bevorzugten Futterquelle, der Brombeere
Copyright: Bart Zijlstra, UNIL
Illustration der Mechanismen von Parthenogenese und Hybridogenese sowie der evolutionären Übergänge ...
Merkmale dieser Pressemitteilung:
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Biologie
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Buntes aus der Wissenschaft, Forschungsergebnisse
Deutsch
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