Gene und Schalter für Wanderungszeiten beim Atlantischen Lachs
Der Atlantische Lachs nutzt seine „innere Uhr“, die über das ganze Jahr hinweg mit der Länge der Tageslichtstunden (Photoperiode) synchronisiert ist, um seine Wanderbewegungen zu steuern. Wenn die Tage länger werden, verlassen die Jungfische (Sälmlinge) die Flüsse und wandern ins Meer. Werden die Tage kürzer, kehren die erwachsenen Tiere in ihre Heimatflüsse zurück. In den letzten Jahrzehnten findet diese Wanderung zum Meer und zurück einige Wochen eher statt, wobei dieses Phänomen mit dem Klimawandel verknüpft ist. Auch wenn die genetische Grundlage für den Zeitpunkt der Wanderungen noch nicht vollständig geklärt ist, mehren sich Hinweise darauf, dass sich die Fische an die höheren Wassertemperaturen und die veränderten Strömungsregimes anpassen. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) untersuchte das Team des Projekts SAL-MOVE(öffnet in neuem Fenster) die genetischen Grundlagen der Abläufe von Wanderbewegungen, vor allem beim nordamerikanischen Lachs. Mithilfe von Modellen konnte vorhergesagt werden, welche Teilpopulationen am stärksten durch klimabedingte Diskrepanzen zwischen innerer Uhr und externen Reizen gefährdet sind.
Genetische Grundlage der Lachswanderung
Das Team von SAL-MOVE verglich Tausende aufgezeichnete Daten über die Rückkehr erwachsener Lachse von den 1970er Jahren bis heute mit Klimadaten und untersuchte die DNS in den Genomen von etwa dreihundert Fischen aus elf Populationen. „Eine genauere Betrachtung der genetischen Unterschiede zwischen Populationen mit früher oder späterer Wanderung ergab, dass der zeitliche Ablauf der Wanderbewegung bei erwachsenen Tieren von mehreren Genen, darunter PPFIA2, und von einer großen DNS-Umstrukturierung bestimmt wird“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Samantha Beck von der University of the Highlands and Islands(öffnet in neuem Fenster). Bei der Analyse von 60 000 genetischen Markern bei Sälmlingen, die europäische Flüsse verlassen, wurde außerdem ein Gen für die Wanderungszeit bei Atlantischen Junglachsen entdeckt.
Individuen-Genomik offenbart neuartigen regulatorischen „Schalter“
Das Team von SAL-MOVE sequenzierte das gesamte Genom erwachsener Lachse und glich es mit den genauen Rückkehrdaten der Fische ab, woraus sich wichtige Erkenntnisse ergaben, die in den Populationsstudien fehlen. „Wir entdeckten, dass ein DNS-Abschnitt direkt stromaufwärts des PPFIA2-Gens eng mit dem zeitlichen Ablauf der Wanderbewegung verbunden ist und möglicherweise als ein regulatorischer ‚Schalter‘ fungiert, der die PPFIA2-Aktivität beeinflusst. Diese Region könnte ein nützlicher genetischer Marker sein, der bei der Erwärmung von Flüssen und Ozeanen zu überwachen ist“, sagt Beck. „Obwohl die Photoperiode festgelegt ist, könnte dieser nichtkodierende genetische ‚Schalter‘ die Empfindlichkeit des Lachses gegenüber Umweltreizen anpassen, was eine spannende Richtung für zukünftige Arbeiten vorgibt. Wenn wir verstehen, wie dieser Schalter auf den Klimawandel reagiert und wie sich dies auf die Wanderungszeiten der verschiedenen Populationen auswirkt, können wir besser vorhersagen, welche Lachsgruppen resilienter sind und welche Schwierigkeiten haben könnten, mit dem Klimawandel Schritt zu halten“, fügt Beck hinzu. Interessanterweise ist PPFIA2 auch mit der zeitlichen Abfolge der Wanderbewegung bei einem Singvogel verknüpft, was auf ein hochkonserviertes artenübergreifendes „Wanderungszeit-Gen“ bei Wirbeltieren hindeutet.
Maschinenlernmodelle erhellen mögliche Zukunftsszenarien
„Auf der Grundlage genetischer Erkenntnisse und zukünftiger Klimaszenarien haben unsere mit maschinellem Lernen basierenden Modelle ergeben, dass die Lachse in den nördlicheren Flüssen die ersten sein werden, deren eingebauter Kalender mit dem Klimawandel außer Takt gerät. Spät geschlüpfte Fische sind am stärksten gefährdet, da sich ihre genetischen Pläne am stärksten verändern müssen, um sich den schnell wechselnden Klimaverhältnissen anzupassen“, sagt Beck. Lösungen wie die Wiederherstellung natürlicher Strömungsmuster in den Flüssen, um den Zugang zu den Laichplätzen zu erleichtern, das Pflanzen von Bäumen entlang der Flussufer, um das Wasser kühler zu halten, und natürlich die Verringerung der CO2-Emissionen können die Wanderbewegung der Lachse und das Populationswachstum unterstützen. „Die projektinternen Entdeckungen wären ohne die gemeinsame Unterstützung, das Fachwissen und die Daten von Victoria Pritchard (UHI), Ian Bradbury vom Department of Fisheries and Oceans (DFO), vom DFO-Team und vielen anderen Personen aus dem wissenschaftlichen und fischereibiologischen Bereich aus dem gesamten Verbreitungsgebiet des Atlantischen Lachses nicht möglich gewesen“, betont Beck. Dieses sehr eng zusammenarbeitende Team hat den Weg zur genetischen Basis der zeitlichen Abstimmung der Wanderbewegung des Atlantischen Lachses gewiesen und dabei hervorgehoben, dass die Wanderungen einiger Populationen möglicherweise anfälliger gegenüber dem Klimawandel als die anderer sind, und eine Grundlage zur Überwachung der Resilienz geschaffen.