Euphorbia cyparissias

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.

Phylogenie

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.

Phylogeographie & Integrative Taxonomie

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.

Frosttoleranz

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.

Chemische Ökologie

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.

Finanzierung

Drittmittelfinanzierung der DFG

2006-2013 „Phylogeny and Chemical Ecology…“ HU1561/1-1, 1-2.

2018-2021 „Hybrid species…“ in the TaxonOMICS DFG SPP 1991 HU1561/5-1.

2019-2022 „Spurge toxins… “ HU1561/7-1

Literatur

(chronologisch)

Hundsdoerfer, A. K., Lee, K. M., Kitching, I. J., & Mutanen, M. (2019) Genome-wide SNP data reveal an overestimation of species diversity in a group of hawkmoths. Genome biology and evolution., 2136-2150. PDF

Hundsdoerfer, A. K., Buchwalder, K., O’Neill, M. A., & Dobler, S. (2019) Chemical ecology traits in an adaptive radiation: TPA-sensitivity and detoxification in Hyles and Hippotion (Sphingidae, Lepidoptera) larvae. Chemoecology, 1-13. PDF

Barth, M. B., Buchwalder, K., Kawahara, A. Y., Zhou, X., Liu, S., Krezdorn, N., Rotter, B., Horres, R. & Hundsdoerfer, A. K. (2018). Functional characterization of the Hyles euphorbiae hawkmoth transcriptome reveals strong expression of phorbol ester detoxification and seasonal cold hardiness genes. Frontiers in Zoology, 15(1), 20. PDF

Hundsdoerfer, A. K., Päckert, M., Kehlmaier, C., Strutzenberger, P., & Kitching, I. J. (2017) Museum archives revisited: Central Asiatic hawkmoths reveal exceptionally high late Pliocene species diversification (Lepidoptera, Sphingidae). Zoologica Scripta 46(5), 552-570. PDF

Mende, M. B., Bartel, M. & Hundsdoerfer, A. K. (2016) A comprehensive phylogeography of the Hyles euphorbiae complex (Lepidoptera: Sphingidae) indicates a ‘glacial refuge belt’. Scientific Reports, 6. PDF

Stuckas, H., Mende, M. & Hundsdoerfer, A.K. (2014) Response to cold acclimation in diapause pupae of Hyles euphorbiae (Lepidoptera, Sphingidae): candidate biomarker identification using proteomics. Insect Molecular Biology 23, 444-456. PDF

Mende, M.B. & Hundsdoerfer, A.K. (2013) Mitochondrial lineage sorting in action — historical biogeography of the Hyles euphorbiae complex (Sphingidae, Lepidoptera) in Italy. BMC Evolutionary Biology 13, 83. PDF

Hundsdoerfer, A.K., Mende, M.B., Kitching, I.J. & Cordellier, M. (2011a) Taxonomy, phylogeography and climate relations of the Western Palaearctic spurge hawkmoth (Lepidoptera, Sphingidae, Macroglossinae). Zoologica Scripta 40, 403-417. PDF

Hundsdoerfer, A.K., Mende, M.B., Harbich, H., Pittaway, A.R., & Kitching, I.J. (2011b) Larval pattern morphotypes in the Western Palaearctic Hyles euphorbiae complex (Lepidoptera: Sphingidae, Macroglossinae). Insect Systematics & Evolution 42, 41-86.

Mende, M.B., Stuckas, H. & Hundsdoerfer, A.K. (2011) Eight new microsatellite loci of the Western Palearctic Hyles euphorbiae complex (Lepidoptera, Sphingidae). Annales Zoologici Fennici 48, 142-146.

Hundsdoerfer, A.K., Sanetra, M., Corbeil, D. & Stuckas, H. (2010) Eleven hawkmoth microsatellite loci of Canary Island Hyles tithymali (Lepidoptera). Conservation Genetics Resources 2, 241–244.

Hundsdoerfer, A.K. & Kitching, I.J. (2010) A method for improving DNA yield from century-plus old specimens of large Lepidoptera while minimizing damage to external and internal abdominal characters. Arthropod Systematics & Phylogeny 68(1), 151-155. PDF

Hundsdoerfer, A.K., Rubinoff, D., Attié, M., Wink, M. & Kitching, I.J. (2009) A revised molecular phylogeny of the globally distributed hawkmoth genus Hyles (Lepidoptera: Sphingidae), based on mitochondrial and nuclear DNA sequences. Molecular Phylogenetics and Evolution 52, 852-865.

Hundsdoerfer, A.K., Kitching, I. J. & Wink, M. (2005a) A molecular phylogeny of the hawkmoth genus Hyles (Lepidoptera: Sphingidae, Macroglossinae). Molecular Phylogenetics and Evolution 35, 442-458.

Hundsdoerfer, A.K., Kitching, I. J. & Wink, M. (2005b) The phylogeny of the Hyleseuphorbiae-complex (Lepidoptera: Sphingidae): molecular evidence from sequence data and ISSR-PCR fingerprints. Organisms, Diversity & Evolution 5, 173-198.

Hundsdoerfer, A.K., Tshibangu, J.N., Wetterauer, B. & Wink, M. (2005c) Sequestration of phorbol esters by aposematic larvae of Hyles euphorbiae? Chemoecology 15, 261-267.