Natürliche und künstliche Artbildung durch Symbionten

Die dramatische Verarmung biologischer Vielfalt und das massenweise Aussterben von Arten, verursacht durch die rücksichtslose Ausbeutung der vorhandenen Lebensräume durch den heutigen Menschen, stellt eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Wie wir aber aus unserer Evolutionsgeschichte wissen, sind fast alle bisher auf der Erde jemals existierenden Arten nicht durch menschliche, sondern durch natürliche Selektion wieder ausgestorben. Das Gegenstück zum biologischen Prozess des Aussterbens stellt jener der Artbildung dar, welcher zur Entstehung neuer Arten führt, welche besser angepasst und reproduktiv von ihren Vorgängern isoliert sind. Obwohl die Artbildung einen der grundlegendsten Schlüsselprozesse der Evolutionstheorie darstellt, welcher seit Darwin im Fokus der Wissenschaft steht, ist unser Wissen über die Gesamtheit aller Faktoren und die genauen Wirkungsweisen von Artbildung per se noch recht begrenzt. Insekten stellen mit geschätzten 2-10 Millionen Arten die artenreichste Tiergruppe dar. Einige davon, wie zum Beispiel Drosophila befinden sich gerade im Prozess der Artbildung. Da sich Drosophila seit mehr als 100 Jahre als ideales experimentelles Modellsystem zur Erforschung von grundlegenden biologischen Fragestellungen wie Genetik oder Evolution bewährt hat, stellt es ebenfalls ein perfektes System zur Erforschung jener Artbildungsfaktoren und Mechanismen in Echtzeit dar. In dem vorliegenden Forschungsprojekt wollen wir einen weiteren, neuen Artbildungsfaktor hinzufügen, welcher bisher komplett negiert oder bestenfalls als Randeffekt in den moderner Artbildungskonzepten wahrgenommen wird, nämlich symbiontische Mikroorganismen, welche universell in Organismen existieren. Neueste Forschungen belegen die Sichtweise, dass alle lebenden Organismen eigentlich als Superorganismen eine Unzahl nützlicher oder neutraler Mikroorganismen beherbergen. Einige von ihnen leben sogar innerhalb ihrer Wirtszellen, so genannte Endosymbionten. Eines der best erforschten symbiontischen Mikroben ist das Wolbachia Bakterium, welches mehr als 70% aller Insekten befällt und von der Wirtsmutter auf ihre Nachkommen vererbt wird. Bemerkenswerterweise kann dieser Endosymbiont, sobald künstlich in Moskitos transferiert, den Insektenwirt gegen pathogene Krankheitserreger wie Dengue Viren schützen und somit die Verbreitung von menschlichen Infektionskrankheiten blockieren. Wolbachia kann außerdem nicht nur die Fortpflanzungsbiologie ihres Wirtes derart manipulieren, dass der Symbiont die größtmögliche Verbreitungsmöglichkeit hat, sondern, wie wir vor kurzem in Amerikanischen Drosophila Arten nachgewiesen haben, auch deren Sexualverhalten. Wir gehen davon aus, dass in Wirten, die bereits vollständig abhängig von ihren nützlichen Bakterien sind, bereits geringe Veränderungen im Wirt - Symbionten Equilibrium, verursacht durch interne und/oder externe Stressfaktoren, unter gewissen Umständen de novo Artbildung innerhalb kürzester Zeit im Wirt triggern können. Diese Hypothese werden wir in Amerikanischen Drosophila Arten sowohl in natürlichen als auch experimentellen Systemen überprüfen, indem wir die Artbildungsdynamik phänotypisch und auf genetischem Niveau verfolgen. Dadurch erwarten wir die Bedeutung von Symbionten als Artbildungsfaktor besser zu verstehen und somit unser Wissen, wie Artbildung in der Natur funktioniert, zu erweitern. Diese Erkenntnisse könnten auch einen neuen Ansatz zur artifiziellen Erhöhung der Diversität bieten.

Natürliche und künstliche Artbildung durch Endosymbionten Die dramatische Verarmung biologischer Vielfalt und das massenweise Aussterben von Arten, verursacht durch die rücksichtslose Ausbeutung der vorhandenen Lebensräume durch den heutigen Menschen, stellt eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Das Gegenstück zum biologischen Prozess des Aussterbens stellt jener der Artbildung dar, der zur Entstehung neuer Arten führt, welche besser angepasst und reproduktiv von ihren Vorgängern isoliert sind. Obwohl die Artbildung einen der grundlegendsten Schlüsselprozesse der Evolutionstheorie darstellt ist unser Wissen über die Gesamtheit aller Faktoren und die genauen Wirkungsweisen von Artbildung per se noch recht begrenzt. Insekten stellen mit geschätzten 2-10 Millionen Arten die artenreichste Tiergruppe dar. Einige davon, wie zum Beispiel Drosophila, befinden sich gerade im Prozess der Artbildung. Da sich Drosophila seit mehr als 100 Jahre als ideales experimentelles Modellsystem zur Erforschung von grundlegenden biologischen Fragestellungen wie Genetik oder Evolution bewährt hat, stellt es ebenfalls ein perfektes System zur Erforschung jener Artbildungsfaktoren und Mechanismen in Echtzeit dar. In dem Forschungsprojekt wollten wir einen weiteren, neuen Artbildungsfaktor hinzufügen, welcher bisher komplett negiert oder bestenfalls als Randeffekt in den moderner Artbildungskonzepten wahrgenommen wird, nämlich symbiontische Mikroorganismen, welche universell in Organismen existieren. Neueste Forschungen belegen die Sichtweise, dass alle lebenden Organismen eigentlich als "Superorganismen" eine Unzahl nützlicher oder neutraler Mikroorganismen beherbergen. Einige von ihnen leben sogar innerhalb ihrer Wirtszellen, die so genannten Endosymbionten. Eines der best erforschten symbiontischen Mikroben ist das Wolbachia Bakterium, welches mehr als 70% aller Insekten befällt und von der Wirtsmutter auf ihre Nachkommen vererbt wird. Bemerkenswerterweise kann dieser Endosymbiont, sobald künstlich in Moskitos transferiert, den Insektenwirt gegen pathogene Krankheitserreger wie Dengue Viren schützen und somit die Verbreitung von menschlichen Infektionskrankheiten blockieren. Wolbachia kann außerdem nicht nur die Fortpflanzungsbiologie ihres Wirtes derart manipulieren, dass der Symbiont die größtmögliche Verbreitungsmöglichkeit hat auch deren Verhalten. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir in neotropischen Fliegen zeigen, dass Wolbachia (i) das Sexualverhalten beider Geschlechter durch Manipulation der Sexualhormone steuert, und (ii) zumindest teilweise in jungen Schwesterarten für die verminderte Fitness von Hybriden verantwortlich ist. Im Weiteren konnten wir (iii) einen neuartigen molekularen Mechanismus beschreiben, welcher Wolbachia schon während der frühen Embryogenese der Fliege reguliert und recht überraschend auch (iv) ein neuartiges "egoistisches" Mitochondrium entdecken, welches von beiden Eltern übertragen wird und sich wie eine Infektion in Drosophila ausbreiten kann. Diese teilweise höchst unerwarteten Entdeckungen werden sicherlich zum besseren Verständnis von Symbionten als Artbildungsfaktor beitragen und somit unser Wissen, wie Artbildung in der Natur funktioniert, erweitern. Diese Erkenntnisse können möglicherweise auch einen neuen Ansatz zur artifiziellen Erhöhung der Diversität bieten.