Senckenberg Naturhistorische Sammlungen Dresden

Populationsgenetik

Forschung


Molekulare Grundlagen und Evolution reproduktiver Isolation

Seit Darwin seine Theorie zur Entstehung der Arten in die Biowissenschaften einführte, strebt man nach einem tiefgreifenden Verständnis aller Mechanismen, die zur Artentstehung führen. Ein wichtiger Prozess der Artentstehung ist die Ausbildung reproduktiver Isolationsmechanismen. Eine reproduktive Isolation ist beispielsweise dann erreicht, wenn eine Paarung zweier Partner durch unterschiedliche Verhaltensweisen ausgeschlossen wird (präzygotische Isolation). Eine präzygotsiche Isolation liegt auch dann vor, wenn sich Ei- und Samenzelle nicht mehr erkennen können und demzufolge nicht mehr verschmelzen. Eine postzygotsiche Isolation liegt beispielsweise dann vor, wenn Ei- und Samenzelle zwar noch verschmelzen können, aber die Entwicklung der Nachkommen aufgrund der Inkompatibilität der Genome nicht mehr optimal verläuft, was beispielsweise zu zeugungsunfähigen oder eingeschränkt zeugungsfähigen Nachkommen führen kann (eingeschränkte Fitness).

In den Forschungsprojekten des Fachgebietes Populationsgenetik werden Miesmuschelarten zur Analyse der molekularen Grundlagen reproduktiver Isolation verwendet. Dabei handelt es sich um die Arten Mytilus edulis, M. trossulus und M. galloprovincialis, die gemeinsam den Mytilus edulis -Artkomplex bilden. Sie sind weltweit verbreitet, kommen als allopatrische und genetisch distinkte Populationen vor aber bilden auch stabile Hybridzonen wenn sich die Verbreitungsgebiete überschneiden.

Mytilus-Arten

Die Miesmuschelarten sind aus verschiedenen Gründen gut als Modell zur Untersuchung reproduktiver Isolationsmechanismen geeignet. Es sind getrenntgeschlechtliche Tiere, die als Vertreter der marinen sessilen Invertebraten ihre Ei- bzw. Samenzellen ins freie Wasser abgeben. Deshalb finden Prozesse wie beispielsweise Partnerwahl im Wesentlichen auf der Ebene der Eizell-Spermien-Interaktion statt; ein ausgeprägtes Paarungsverhalten gibt es nicht. Um also die molekularen Grundlagen und die Evolution reproduktiver Isolationsmechanismen zu verstehen, kann man sich zunächst mal auf die Untersuchung der Proteine und Gene beschränken, die an der Eizell-Spermien-Interaktion beteiligt sind. Hinzu kommt die Tatsache, dass die verschiedenen Mytilus-Arten Hybride bilden. Deshalb kann man vergleichend genetisch reine Bestände und Hybridpopulationen untersuchen, um zu erforschen, welche Veränderungen an entsprechenden Proteinen und Genen zu einer eingeschränkten Eizell-Spermien-Interaktion führen.

Selektive Antikörperproduktion

Die gefundenen Kandidatengene (selektive Antikörperproduktion, phylogenomische Ansätze) werden in natürlichen Populationen untersucht wobei in allopatrischen genetisch reinen Populationen und in Kontaktzonen gearbeitet wird. Mittels molekulargenetischer Analyse von Genen werden Diversitäts und Divergenzparameter erhoben. Dabei soll untersucht werden, ob die Kandidatengene unter positiver Selektion stehen und in Kontaktzonen zweier Mytilus-Arten frei ausgetauscht werden können. Anzeichen auf positive Selektion und/oder eingeschränkter zwischenartlicher Genfluss wird dann erwartet, wenn ein Kandidatengen ursächlich für die Ausbildung reproduktiver Isolation verantwortlich ist.

Neben allopatrischen Populationen werden in erster Linie die sympatrischen Mytilus-Populationen der Ostsee untersucht. Hier bilden M. edulis und M. trossulus eine ausgeprägte Kontaktzone. Das ist zunaechst vergleichbar zur M. edulis x M. trossulus - Kontaktzone in Nordamerika. Im Gegensatz zu Nordamerika ist der Genfluss in der Ostsee aber so stark ausgeprägt, dass die Populationen in der inneren Ostsee als Hybridschwarm bezeichnet werden können. Es stellt sich deshalb die Frage, ob dieser Hybridschwarm eine Resultat fehlender reproduktiver Isolation ist oder aber ein Resultat spezifischer Anpassung an die Umweltbedingungen der Ostsee (z.B., Brackwasserbedingungen) ist. Die laufenden Forschungsprojekte des Fachgebietes zielen zunächst darauf ab, Hinweise für die Existenz oder Nicht-Existenz reproduktiver Isolationsbarrieren zu finden. Darüber hinaus sollen schrittweise molekulare Grundlagen adaptiver Eigenschaften Ostsee-Populationen untersucht werden. (siehe Adaptive Variation und Hybridisierung)

Kontaktzone

 

Ausgewählte Projekte des ForschungsSchwerpunktes
  • Molekulare Analysen von Mytilus-Spermien mittels monoklonaler Antikörper. (gefördert durch die Paul-Ungerer Stiftung, Februar 2010-November 2010)
  • Molekulare Grundlagen der reproduktiven Isolation in Miesmuscheln (Mytilus, Bivalvia): Identifizierung und Charakterisierung Gameten-spezifischer Faktoren. (gefördert durch die DFG, STU519/2-1, Jan 2011-März 2012)
  • Molekulare Evolution von Proteinen mit funktioneller Relevanz für die Spermienfunktion. (Jan. 2012 – derzeit)
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Adaptive Variation und Hybridisierung

Viele genetische Charakteristika einer Population werden durch genetische Drift bestimmt, d.h. die Allelfrequenzen an einem bestimmten genetischen Lokus ergeben sich durch Zufall und sind kein Resultat natürlicher Selektion. Im Gegensatz dazu können bestimmte Allele eines Gens eine spezifische Anpassung an bestimmte Umweltbedingungen ermöglichen, z.B., Toleranz gegenüber Temperatur bei Insekten oder der Wasserzusammensetzung bei marinen Organismen. Adaptive Eigenschaften bestimmen eine Vielzahl biologischer Prozesse, beispielsweise inwieweit sich bestimmte Arten ausbreiten können. Darüber hinaus sind adaptive Eigenschaften bestimmter Allele auch dafür verantwortlich, dass zwischenartliche Hybride in bestimmten Umwelten sogar besser angepasst sind, als die jeweils reinen Arten.
Die genetischen Grundlagen adaptiver Eigenschaften von Arten und zwischenartlichen Hybriden sind Gegenstand verschiedener Forschungsprojekte des Fachgebietes Populationsgenetik. Ein Schwerpunkt liegt auf der Erforschung adaptiver Eigenschaften von Mytilus-Populationen der Ostsee. Wie schon erwähnt, kommt es in der Ostsee zu einem massiven Genfluss zwischen M. edulis und M. trossulus, was zur Ausbildung eines Hybridschwarms in der inneren Ostsee geführt hat. Die gegenwärtigen Forschungsprojekte sollen herausfinden, inwieweit die genetische Vermischung einen Einfluß auf die Anpassungsfähigkeit der Mytilus-Populationen hat, z.B., ob bestimmte artspezifische Allele für die Anpassung an die Brackwasserbedingungen verantwortlich sind. In diesem Zusammenhang werden zunächst Kandidatengene gesucht und anschliessend Diversitäts- und Divergenzparameter in freilebenden Populationen analysiert. Diese Untersuchungen sollen zeigen, ob die Allelfrequenzen an den Kandidatengenloci durch Zufall (genetische Drift) oder aber durch selektive Prozesse verändert werden. In einem weiteren Schwerpunkt werden genetische Grundlagen der Umweltanpassung am Beispiel von Schwärmern (Hyles spec., Lepidoptera) untersucht. Dabei geht es um Merkmalskomplexe wie beispielsweise die Temperaturanpassung. Die Arbeiten zu molekularen Grundlagen adaptiver Eigenschaften am Beispiel der Mytilus- bzw. der Hyles-Arten tragen im weitesten Sinne zur Abschätzung möglicher Folgen des bevorstehenden Klimawandels auf die Fauna bei.

Ausgewählte  Projekte des Forschungsschwerpunktes
  • Analyse interspezifischen Genflusses in verschiedenen genetischen Linien der Ostsee-Miesmuschel (M. edulis, M. edulis x M. trossulus-Hybriden) mittels RNAseq. (März 2013-derzeit; Kooperation mit Prof. Dr. Frank Melzner und Corinna Breusing, GEOMAR, Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel
  • Molekulare Grundlagen der Temperaturanpassung bei Schmetterlingen. (Jan 2012 – derzeit; Kooperation mit Dr. Anna Hundsdörfer, Fachgebiet DNA-Labor, Museum für Tierkunde, Senckenberg Dresden)

Genetische Struktur von Populationen

Das im Fachgebiet Populationsgenetik verwendete molekulargenetische und analytische Methodenspektrum zielt letztlich auf die Analyse bestehender genetischer Strukturen einer Tierart ab und ermöglicht ferner die Herleitung der Mechanismen, die zur Entstehung einer bestimmten genetischen Konstitution geführt haben (z.B., Migration, genetische Isolation, etc.). Derartige Kenntnisse über den Zustand und die Historie von Populationen sind bedeutsam für viele biologische Fragestellungen aus den Gebieten der Evolutionsbiologie (z.B., Artentstehung) oder der Phylogeographie. Derartige Untersuchungen sind aber auch Grundlage für angewandte Fragestellungen des Naturschutzes (Naturschutzgenetik).

Bayes'sche Analyse mittels STRUCTURE-Software

Ausgewählte Projekte des Forschunsgschwerpunktes
  • Speziationsprozesse am Beispiel zweier sympatrisch verbreiteter Schildköten-Artkomplexe in einem genetischen Diversitätshotspot (Emys orbicularis - Komplex; Mauremys caspica, M. rivulata). (2010 – derzeit, Kooperation mit Prof. Dr. Uwe Fritz und Melita Vamberger, Fachgebiet Phylogeohraphie, Museum für Tierkunde, Senckenberg Dresden)
  • Populationsgenetsiche Analyse mariner Organismen (Jan 2013-derzeit; Prof. Dr. Pedro Martinez Arbizu, Dr. Michael Raupach, Senckenberg am Meer, Deutsches Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung Wilhelmshaven).
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