Entwicklungsgen-Evolution und Adaptation im Cichliden-Kopf

Die artenreichen Buntbarsch-Radiationen in den drei großen ostafrikanischen Seen, Victoria, Malawi und Tanganyika, bilden ein natürliches Mutanten-Modellsystem zur Erforschung der Entstehung vieler neuer Arten innerhalb kurzer Zeit, einer sogenannten adaptiven Radiation. Hierbei ist die rasche Artentstehung eng mit der Spezialisierung auf verfügbare ökologische Nischen verknüpft. In Bezug auf die Buntbarsche wurde vorgeschlagen, dass ihr enormer evolutionärer Erfolg zumindest teilweise durch den Besitz einer Schlüsselinnovation in Form von zwei unabhängigen Bezahnungen, den Kiefer- und den Schlundzähnen, erklärt wird, weil sie die rasche und effiziente Adaptation auf unterschiedlichste Nahrungsnischen erlauben. Die beiden Zahnstrukturen arbeiten unabhängig (packen/abbeißen zerkleinern), weshalb sie komplementäre Anpassungsmodule, aber auch Module der Entwicklung, darstellen. Die Theorie der genetischen Assimilation erklärt, wie spezialisierte Strukturen, die eine präzise Nischentrennung zwischen neuen Arten in einem Ökosystem erlauben, entstehen: (1) Eine Mutation oder eine Umweltveränderung bewirkt die plastische Ausbildung einer oder mehrerer neuer vererbter phänotypischer Variante(n) in einer Population; (2) die anfangs seltene Variante verbreiten sich (im Falle eines Umwelt-induzierten Variante durch das konsistente Auftreten der neuen Umweltsituation), wodurch eine neue Subpopulationen der erfolgreichen alternativen Phänotypen entsteht; und (3) Selektion auf die existierende genetische Variation für die Regulation oder Form des selektierten Merkmals bewirkt die genetische Fixierung bei den Individuen der neuen Sub-Population, wobei langfristig aus einer phänotypisch plastischen Art neue alternativ spezialisierte Arten entstehen. Wir nutzen das unterschiedliche Alter der Buntbarsche der drei großen ostafrikanischen Seen für eine vergleichende Studie zur Evolution der genetischen Architektur öko-morphologischer Anpassungen in Kiefer- und Schlundzähnen, um die Validität der genetischen Assimilation und der Flexible Stem Hypothese zu prüfen. Danach sollten aus einer phänotypisch plastischen Stammart, die unter verschiedenen Umweltsituationen überleben kann, neue und progressiv mophologisch unterschiedliche Arten hervorgehen, die ihre anzestrale Plastizität verlieren. Wir wollen hierfür zwei phänotypisch plastische Fluss-lebende Arten als Außengruppe mit drei Sets von spezialisierten Modellarten aus den drei Seen vergleichen - Kleintierräuber, Algenbeißer und Algenraspler. Bei diesen unterschiedlich spezialisierten Arten planen wir die Muster der Genaktivität im Kieferbereich (mittels Next-Generation Sequenzierung) und die genetischen Unterschiede der relevanten Gene in Kombination mit vergleichend-anatomischen Daten (Mikro-Computertomographie) zu kombinieren. Dadurch erhoffen wir uns die genetischen und Gen-regulatorischen Korrelate zu den divergenten Morphologien zu finden, nachdem sie durch die Embryonalentwicklung geformt wurden, und gleichzeitig zu testen, ob sie ihre phänotypische Plastizität reduziert haben, Wir untersuchen diese regulatorischen Netzwerke auf 4 Ebenen: Nicht-kodierende RNAs, epigenetische Regulation über CpG Methylierung, Genexpression und Gen-Evolution (Proteinevolution, Genduplikation).

Unser Projekt nutzte das Vergleichspotential der drei unterschiedlich alten Buntbarsch-Artenschwärme im ostafrikanischen Viktoria-, Malawi- und Tanganyikasee, um die Gültigkeit der "Flexible Stem Hypothesis" zu prüfen. Diese besagt, dass aus einer plastischen Stammart, die sich an verschiedenste Umweltgegebenheiten anpassen kann, im Zuge einer adaptiven Radiation zunehmend spezialisierte aber weniger flexible Arten entstehen, wobei sich alternative Spezialisierungen zunehmend genetisch manifestieren. Da der Besitz zweier unabhängiger Kiefer in Maul und Schlund als wichtiger Katalysator der Entstehung der beeindruckenden Buntbarsch-Artenvielfalt gesehen wird, konzentrierten wir uns auf diese beiden knöchernen Strukturen mit ihren Anpassungen an unterschiedliche Nahrungsnischen. Um die Verbindung zwischen der Expression formbestimmender Gene und öko-morphologischer Anpassung zu finden haben wir die Muster der Gentranskription, des alternativen Splicings und der Gen-Methylierung zwischen äquivalenten Arten der drei Seen verglichen und mittels Mikro-Computertomographie morphologisch analysiert. Auf Basis von 200 Gesamt-Transkriptomen beider Kiefer versuchten wir die genregulatorischen Korrelate zwischen gleich spezialisierten aber unabhängig evolvierten Schwesternarten zu finden. Wir haben zwei wichtige Lebensphasen, den Zeitpunkt der Selbständigkeit nach dem Aufbrauchen des Dottersacks sowie die Geschlechtsreife, untersucht. Generell zeigte sich, dass die steady-state Muster der Transkription in beiden Lebensstadien sehr unterschiedlich und artspezifisch sind. Wir fanden einen überraschend großen Anteil von alternativem Spleißing in Relation zu Unterschieden in Genexpressions-Levels zwischen Arten, Lebensstadien und Ernährungsweisen. Die regulative Differenzierung zwischen Räubern und Pflanzenfressern ist bereits am Beginn der Freischwimmphase vollzogen. Für jedes Lebensstadium konnten wir unterschiedlich exprimierte Gene zwischen karnivoren und herbivoren Arten finden, die mit den Wnt-Signalen verbunden sind, einem wichtigen Koordinator der Skelettbildung sowie einigen Formungs-Genen der Kopfregion. Wir fanden zwei Kandidatengene zur grundlegenden Manifestation der Morphologie von Räubern und Pflanzenfressern (frzb and fgfr2). Im Vergleich zwischen Arten und Seen fanden wir, dass alternatives Splicing im Verlauf einer Radiation rascher divergiert als die Quantität der Genexpression. In jungen Radiationen sind Genexpressionsmuster über die beiden Kiefer hinweg konserviert während alternatives Splicing Radiations-spezifische Muster zeigt. Bei der älteren Radiation sind auch die Genexpressionsmuster Radiations-spezifisch, während alternative Splicingmuster artspezifisch werden. Genexpression und alternatives Splicing scheinen also negativ mit dem Alter der Radiation korreliert, wobei die Muster der jungen Radiation diverser gestreut sind als jene der alten. Interessanterweise zeigen die Flusslebenden Schwestergruppen die höchste transkriptionelle Diversität, was darauf hindeutet, dass ein anzestrales "Variationsreservoir" im Zuge einer Radiation jeweils eigenständig sortiert und modifiziert wird, sobald sich Spezialisierungsmöglichkeiten bieten. Abgesehen von einigen obligaten Chordaten-Genen mit hoher Redundanz scheint es ein geringes Maß an evolutionärer Einengung zu geben, wie äquivalente Spezialisierungen parallel realisiert werden. Auf der epigenetischen Ebene zeigen unsere Untersuchungen an zwei der drei Radiationen in allen untersuchten Arten qualitativ überraschend einheitliche Methylierungs-Modifikationen von einschlägigen Genen zwischen den Arten. In den Arten der jüngeren Radiation sind epigenetische Modifikationen über das Genom hinweg betrachtet stärker ausgeprägt, spielen also mit Fortschreiten einer Radiation eine immer geringere Rolle.