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Wie sich die Ameisenfortpflanzung auf die Genomevolution auswirkt

Einige Ameisen weichen von den üblichen Regeln der Reproduktion ab, und das Projekt MELCA arbeitete daran herauszufinden, warum das so ist.

Grundlagenforschung

Ameisen sind haplo-diploid. Männchen entwickeln sich aus unbefruchteten Eizellen, während Arbeiterinnen und Königinnen aus befruchteten Eizellen hervorgehen. Einige Ameisenarten folgen jedoch einem System der „doppelt-klonalen Reproduktion“. Alle Arbeiterinnen in diesen Ameisenvölkern sind Hybriden, aber die fortpflanzungsfähigen Ameisen nicht: Neue fruchtbare Königinnen sind Klone ihrer Mutter und die fruchtbaren Männchen sind Klone ihres Vaters. Das bedeutet, dass sich das Genom der Königin und das Genom des Männchens getrennt voneinander entwickeln und sich nur kreuzen, um Arbeiterinnen zu produzieren, die aber steril sind. Nun tauchte das EU-finanzierte Projekt MELCA tief in dieses seltene System ein, um weitere Einzelheiten wie zum Beispiel seine Prävalenz und den Zeitpunkt seiner evolutionären Entwicklung zu ermitteln und seine Konsequenzen für die Genomevolution zu untersuchen. Gegenstand war die Schwarze Spinnerameise, Paratrechina longicornis, ein häufig vorkommender Schädling und eine der am weitesten verbreiteten Ameisen der Welt. „Unsere Arbeit bringt weitere Details darüber zutage, wie das doppelt-klonale Fortpflanzungssystem bei dieser Art funktioniert. Sie bildet die Grundlage für das Verständnis des Zusammenspiels zwischen der molekularen Evolution des Genoms und der Art der sexuellen Fortpflanzung“, sagt Hugo Darras vom Fachbereich Ökologie und Evolution an der Universität Lausanne und leitender Forscher des MELCA-Projekts. Die mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführte Forschung ergab zwei überraschende Entdeckungen. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass bei Paratrechina longicornis kein genetischer Austausch mehr zwischen Königinnen und Männchen stattfindet. Die Gene der Königin und des Männchens vereinigen sich nur bei unfruchtbaren Arbeiterinnen. Unseren Schätzungen zufolge sind die beiden Klongeschlechter seit mehr als einer Million Jahren voneinander getrennt.“

Eier und Genome

„Die Produktion steriler Arbeiterinnen durch geschlechtliche Fortpflanzung ist ein gemeinsames Merkmal der Ameisen. Ungewöhnlich bei dieser Spezies ist, dass die Königinnen durch eine andere Art der Fortpflanzung als die Arbeiterinnen produziert werden. Sie tragen daher ganz anderes Erbgut in sich“, erläutert Darras. Bei den meisten Ameisenarten können sich diploide (befruchtete) Eier in Abhängigkeit von den Umweltfaktoren entweder zu Königinnen oder zu Arbeiterinnen entwickeln. Bei Paratrechina longicornis scheint das Schicksal eines diploiden Eies von seinem Genotyp bestimmt zu werden. Unbefruchtete Eizellen enthalten nur mütterliches genetisches Material und entwickeln sich zu Königinnen. Im Gegensatz dazu tragen Eier, die durch geschlechtliche Fortpflanzung erzeugt werden, sowohl das Genom der Königin als auch das des Männchens in sich und entwickeln sich zu Arbeiterinnen. „Der für diese starke Verbindung zwischen weiblicher Kaste und Genotyp verantwortliche genetische Mechanismus ist noch unbekannt“, sagt Darras.

Die Wahl der Königin

Das doppelt-klonale Fortpflanzungssystem gibt den Königinnen der Paratrechina longicornis die Möglichkeit, bei der Erzeugung von Königinnen und sterilen Arbeiterinnen sowohl auf die ungeschlechtliche als auch die geschlechtliche Fortpflanzung zurückgreifen zu können. „Unter Einsatz der ungeschlechtlichen Fortpflanzung können die Königinnen die Übertragungsrate ihrer Gene auf ihre fruchtbaren Töchter maximieren. Gleichzeitig sorgt die geschlechtliche Fortpflanzung für genetische Vielfalt innerhalb der Arbeiterinnenkaste, was die Leistung des Ameisenvolks verbessern dürfte“, erklärt Darras. Kreuzungen zwischen abweichenden Abstammungslinien von Königinnen und Männchen bringen Arbeiterinnen hervor, die ein hohes Niveau an Heterozygotie aufweisen. Das bedeutet, dass sie über zwei Allele verfügen, was jegliche Inzucht, auch in kleinen Populationen, verhindert. „Fehlende Inzucht könnte einer der Hauptfaktoren sein, der erklärt, warum Paratrechina longicornis zu einer der global am weitesten verbreiteten Ameisenarten geworden ist“, merkt Darras an. Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass sich die Genome von Königinnen und Männchen der Paratrechina longicornis nicht mehr rekombinieren, was bedeutet, dass sich die Genome als separate Einheiten entwickeln. „Wir werden anhand dieses ungewöhnlichen Systems erforschen, wie die Selektion die Evolution von Genen beeinflusst, die an den Geschlechtsunterschieden beteiligt sind“, ergänzt Darras.

Schlüsselbegriffe

MELCA, Ameisen, Fortpflanzung, Vermehrung, Reproduktion, doppelt-klonal, System, Genom, Königin, Arbeiterin

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