Die Forschung im molekulargenetischen Labor beantwortet Fragen aus dem Forschungsbereich Biodiversität und Evolution/Systematik.
Dr. Anna K. Hundsdörfer
Leiterin Molekulargenetisches Labor
Sektion
Molekulargenetisches Labor
Adrian Giacomelli
Allgemeines
Der Einsatz molekularbiologischer Methoden in der modernen Evolutionsforschung weist zwei entscheidende Vorteile auf: Die Methodik ist universell auf alle Organismen anwendbar und erlaubt Erkenntnisse entlang einer langen Zeitspanne von vielen Millionen Jahren. Der molekulare Ansatz ermöglicht die Erfassung genetischer Biodiversität, die der Biodiversität der Arten zugrunde liegt. Darüber hinaus kann der Ansatz über Verwandtschaftsbeziehungen Aufschluss geben und dahinter steckende Mechanismen erklären.
Wenn sich Arten von einem gemeinsamen Vorfahren differenzieren, akkumulieren sie regelmäßig Mutationen, wodurch sie sich genetisch voneinander entfernen und weiterentwickeln. Während sich so in bestimmten Abschnitten des Genoms regelmäßig Mutationen anreichern, ist das Tempo der morphologischen Veränderung höchst variabel. Durch Anwendung dieser molekularen, evolutionären Uhr ermöglichen genetische Daten Einblicke in die historische Zoogeographie und Phylogeographie von Arten und Populationen: Die biogeographische Geschichte der Verbreitungsmuster kann aufgedeckt werden. Speziationsereignisse können zurückverfolgt werden, beispielsweise auf eine zugrundeliegende Trennung der Ursprungs-Population durch entstandene geographische Barrieren.
Durch immer komplexer werdende gesetzliche Regelungen wie das Nagoya-Protokoll, wird es immer schwieriger Frischmaterial genetisch zu untersuchen. Daher gewinnt die Analyse von historischer DNA aus Museumsexemplaren zunehmend an Bedeutung. Das molekulargenetische Labor am Museum für Tierkunde in Dresden stellt sich dieser Zukunftsaufgabe und ist auf die Analytik von aDNA (ancient DNA) spezialisiert.
Das molekulargenetische Labor des Museums für Tierkunde enthält einen Hauptbereich, sowie eine separate Laboranlage zur Bearbeitung von Probenmaterial (Gewebe, Federn, Haare und Knochen) von Organismen aus Museumssammlungen mit aDNA-Methodik. Um Kontaminationen zu minimieren, werden die anfälligsten Schritte (DNA-Isolierung, PCR-Ansatz und DNA-library preparation) in einem Reinraum in einem anderen Gebäude durchgeführt.
Das gewonnene Erbgut wird mittels mehrerer PCR-Maschinen mit „fast“-Modus, einem Sequenzer der Firma Applied Biosystems (ABI 3730 Genetic Analyzer, 48 Kapillaren) und einem MiSeq-Sequenzer der Firma Illumina analysiert.
Die Ausstattung des Labors* ist auf derselben Stufe wie bei entsprechenden Einrichtungen universitärer Forschungsinstituten auf dem Gebiet der Systematik. Neben der Arbeit mit aDNA oder historischer DNA aus Museumsmaterial wird das Labor bei der Grundlagenforschung auf den Gebieten der Verwandtschaftsanalyse und Populationsgenetik sehr effektiv eingesetzt. Sequenzen können zeitnah zur Isolierung und Amplifizierung des Erbmaterials aus den Proben analysiert und ausgewertet werden; Fragmentanalysen können gezielt optimiert werden.
* Zur Ausstattung des Labors gehören u.a.:
- 7 PCR-Maschinen (Eppendorf, ABI, BIOER)
- qPCR-Maschine
- Covaris
- TapeStation
- Qubit
- Nanodrop One
- ABI Sanger Sequenzer
- MiSeq
Forschung
Der interdisziplinäre Ansatz bei der Untersuchung der Evolution der Gattung Hyles in der Arbeitsgruppe von Anna K. Hundsdörfer berücksichtigt Daten aus zahlreichen Quellen: Morphologie, molekulare DNA-Sequenzen, Mikrosatelliten Genotypisierung, Chemische Ökologie, Zuchtexperimente, Proteomik, Transcriptomik (RNA) und Genomik. Die Forschung dient der Beantwortung systematisch-taxonomischer, phylogenetischer und phylogeographischer Fragestellungen, und nach Möglichkeit deren funktionelle Hintergründe. Sie ist Teil der Senckenberg Forschungsfelder Biodiversität, Systematik und Evolution und Biodiversität und Klima.
Die Schwärmer der Gattung Hyles (Lepidoptera: Sphingidae) zeichnen sich durch eine bemerkenswert einförmige Morphologie aus, bei sehr großer intraspezifischer Variation der larvalen Merkmale, insbesondere in den zirkum- mediterranen Wolfsmilchschwärmer Hyles euphorbiae zu. Die Untersuchung der Evolution dieser Organismen mit molekularen Methoden bildet den Kern meiner Forschung.
Zur Analyse der Phylogenie von Hyles werden Informationen aus DNA-Sequenzen mitochondrialer und nuklearer Gene herangezogen (Hundsdoerfer et al., 2005a, 2009, 2017). Die Daten legen nahe, dass sich die Gattung Hyles während des Oligozän/Eozän in der Neotropis von der Schwestergruppe trennte.
Einen Schwerpunkt der Forschung bildet die Evolution des Wolfsmilchschwärmers Hyles euphorbiae. Eingangs wurde die Hypothese für die fünf Arten des damaligen Hyles euphorbiae – complex (HEC): eine klare geographische Strukturierung genetischer Differenzierung in zwei Hauptlinien, die Europäischen H. euphorbiae und Nord Afrikanischen H. tithymali(Hundsdoerfer et al., 2005a, b). Es wurden über die Jahre zahlreiche zusätzliche mitochondriale Linien gefunden (Hundsdoerfer et al., 2011a, b, Mende et al., 2016), die sich nur zum Teil mit der Verteilung der larvalen Musterelemente und den Artgrenzen decken, die v.a. auf morphologischen Merkmalen der Adulten beruhen.
Zwei der mitochondrialen Linien kommen nur sympatrisch mit anderen Linien vor, haben also kein ihnen eigenes Verbreitungsgebiet. Es könnte sich um Linien handeln, deren Eigenständigkeit durch Introgression und Hybridisierung verwaschen wurde. Analysen von Museumsexemplaren ergaben die Erkenntnis, dass die nördliche Verbreitungsgrenze der ‚italica‚ Linie in Korrelation mit den mittleren Sommer Temperaturen oszilliert: in den warmen Sommern in den 1900-er, 1940-iger und 2000-er Jahren erreichte Sie weiter nördliche Gebiete in denen sie in den kälteren Zeiten, um die 1920-iger und 1970-iger Jahre, nicht gefunden wurde. (Mende et al., 2013).
Während Mikrosatelliten Analysen (Hundsdoerfer et al., 2010a; Mende et al., 2011, 2016) zwei hybridisierende Einheiten stützen, ergaben gesamt-genomische ddRAD-Seq Daten keine monophyletischen Untereinheiten innerhalb des gesamten ehemaligen HEC, weshalb die ehemaligen Arten H. tithymali, H. sammuti, H. cretica und H. robertsi (inklusive deren Unterarten) mit H. euphorbiae synonymisiert wurden (Hundsdoerfer, Lee et al., 2019).
Laufendes Projekt: Mitochondriale Daten deuten auf mindestens drei neue Hyles Arten (~15 sind aktuell valide) in der Zentralen Paleaktis (unpubliziert). Hybridisierung ist allerdings in diesen Organismen häufig, daher zielt die Erhebung kerngenomischer Daten von historischer DNA aus Museumsexemplaren darauf ab herauszubekommen wieviele Genome sich mischen, um lediglich sieben Flügelmuster mit Intermediären, allerdings über 40 larvalen Polymorphismen hervorzubringen, und die enigmatische Taxonomie zu klären. Das Projekt „Hybrid species recognition using ‘Next Generation Sequencing’ (NGS) of museum specimens“ ist Teil des DFG-finanzierten (SPP-1991) Schwerpunktprograms Taxon-OMICS.
Entlang ihrer sehr weiten Verbreitung sind überwinternde Diapausepuppen von Hyles euphorbiae sehr unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, von milden durchschnittlichen 11°C im Winter des mediterranen Klimas zu durchschnittlich -23°C oder darunter in Sibirien.
Um zu verstehen inwieweit Prozesse wie phänotypische Plastizität von Frostschutzmechanismen oder lokale Anpassung an Temperaturen unter dem Gefrierpunkt die heutige Verbreitung der Arten erklären, interessieren wir uns für die molekularen Mechanismen der Reaktion auf Kälte (Stuckas et al., 2014). Im Transkriptom von Hyles euphorbiae (Barth, Buchwalder et al., 2018) wurden Kandidatengene für Kältetoleranz gefunden, die näher untersucht werden sollten.
Die Raupen von Hyles euphorbiae sind auffällig gemustert und bunt gefärbt. Ihre Futterpflanzen der Gattung Euphorbia enthalten hautreizende, Tumor-fördernde und auch giftig wirkende Phorbolester. Chemisch-ökologische Experimente deuteten darauf hin, dass sie ihre potentiellen Prädatoren mit der Warntracht nur vor ihrem giftigen Darminhalt warnen; d.h. entgegen verbreiteter Vorstellung, speichern sie die giftigen Phorbolester aus der Futterpflanze nicht, sondern scheiden sie wieder aus (Hundsdoerfer et al., 2005c).
Eine Versuchsreihe testete so viele Hyles Arten wie möglich auf ihre Sensibilität gegenüber der Toxizität des Wolfsmilchgifts. Die Hypothese lautet: Die Insensibilität auf die Toxizität des Wolfsmilchgiftes stellt ein Schlüsselmerkmal in der adaptiven Radiation der Gattung dar (Hundsdoerfer et al., 2019).
Im Transkriptom von Hyles euphorbiae (Barth, Buchwalder et al., 2018) wurden Kandidatengene für Detoxifizierung gefunden, die näher untersucht werden sollten. Kandidatenenzyme werden charakterisiert und die Metabolite von H. euphorbiae werden mit denen weiterer Hyles-Arten verglichen, die ein andere Nahrungsspektrum und TPA-Sensitivität haben. Dieses DFG finanzierte Projekt „Spurge toxins as a winder of evolution in hawkmoths: Phorbol ester detoxification by Hyles euphorbiae (Lepidoptera: Sphingidae)“ startete Ende 2019.
Drittmittelfinanzierung der DFG
2006-2013 „Phylogeny and Chemical Ecology…“ HU1561/1-1, 1-2.
2017-2025 „Hybrid species…“ in the TaxonOMICS DFG SPP 1991 HU1561/5-2.
2019-2024 „Spurge toxins… “ HU1561/7-1
(chronologisch)
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Publikationen
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Schniebs, K., Glöer, P., Vinarski, M.V., Beran, L., & Hundsdoerfer, A. K. (2019) Intraspecific morphological and genetic variability in the Palaearctic freshwater snail Radix ampla (Hartmann, 1821) (Gastropoda: Basommatophora: Lymnaeidae). Journal of Conchology, 43(3), 245-267.