Wie uralte Stichlinge aktuelle Bemühungen um Biodiversitätsschutz unterstützen
Vor dem Hintergrund beschleunigter Umweltveränderungen fehlen im Naturschutz umfassende Beobachtungsdaten zu Speziesanpassungen über lange Zeiträume hinweg. Folglich bleiben viele wissenschaftliche Fragen unbeantwortet, beispielsweise, wie schädliche genetische Mutationen auf vorteilhaften genetischen Anpassungen „mitfahren“. „Auf das Überleben abzielende Anpassungen gehen mit evolutionären Kompromissen einher. Zu verstehen, dank welcher genetischer Variationen bei Populationen Anpassungen möglich werden und zu welchen genetischen Kosten dies geschieht, könnte Einblicke in die Populationsresilienz bieten“, erklärt Andrew David Foote(öffnet in neuem Fenster) von der Universität Oslo. Um diese Wissenslücke zu schließen, koordinierte Foote das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierte Projekt EXPLOAD, in dessen Rahmen verschiedene parallele Anpassungen des Dreistachligen Stichlings untersucht wurden, die von denselben Genen gesteuert werden.
Chronologie und Tempo genomischer Veränderungen erfassen
Während Evolution oft als ein langsamer und schrittweiser Prozess abläuft, entwickeln sich Anpassungen bei Dreistachligen Stichlingen relativ schnell. Aufgrund dieser Tatsache sowie ihrer langjährigen Verbreitung in den Seen der nördlichen Hemisphäre bilden sie eine Modellart für die Forschung. Mithilfe des Geological Survey of Norway entnahm das Team von EXPLOAD Meeres-, Brackwasser- und Süßwasser-Sedimentkerne aus „postglazialen Isolationsseen“. Diese entstanden am Ende der letzten Eiszeit vor fast 12 000 Jahren, als sich die Eisschilde zurückzogen und sich das Land allmählich wieder hob. Als das Land anstieg, wurden neu entstandene Meeresbuchten vom Meer abgeschnitten und entwickelten sich schließlich zu Süßwasserseen. „Da die Seen oft unabhängig voneinander vom Dreistachligen Stichling besiedelt wurden, stellen ihre Sedimente natürliche Experimente dar“, erklärt Foote. „Die Probenahme aus mehreren Seen über unterschiedliche Zeitskalen hinweg zeigt parallele Anpassungen der Stichlinge und liefert Erkenntnisse darüber, ob schädliche genetische Mutationen parallel zu den Anpassungen an das Süßwasser zunehmen.“
Den Weg der genetischen Variation nachverfolgen
Bei modernsten genomischen Ansätzen standen genetische Regionen im Mittelpunkt, die die Ausbildung der Verteidigungs- und Fressmorphologie sowie Verhaltens- und physiologische Merkmale steuern. Beispielsweise untermauert das EDA-Gen(öffnet in neuem Fenster) die Entwicklung schützender Knochenpanzerplatten. Die Variante des EDA-Gens bei im Meer lebenden Stichlingen führt zu schützenden knöchernen Panzerplatten an den Seiten, während Süßwasser-Stichlinge eine reduzierte Panzerung, dafür aber ein schnelleres Wachstum in der frühen Lebensphase aufweisen, was in kälteren Wintern von Vorteil ist. Da alte DNS sehr bruchstückhaft zur Verfügung steht, entnahm das Team außerdem hochwertige DNS von einem lebenden Stichling und sequenzierte dessen Genom, um eine Art Gerüst zu schaffen, dem der Inhalt der alten DNS hinzugefügt werden konnte. „Genetische Variationen, die in bis zu 13 000 Jahre altem Sediment erhalten geblieben sind, erlaubten uns, die Evolution auf eine Weise zu beobachten, die zuvor unmöglich war“, erläutert Foote. Ursprünglich wurde erwartet, dass vorteilhafte Mutationen, die sich in Regionen mit geringer Rekombination ausbreiten, schädliche Mutationen mit sich ziehen würden. Die Stichlinge schienen diese jedoch gelöscht zu haben(öffnet in neuem Fenster), worin sich andeutet, dass die Kosten der Mutationsanpassung nicht universell sind. „Wir brauchen ein nuancierteres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Rekombination, Genomstruktur und Selektion“, merkt Foote an. Beim Vergleich von alter DNS aus verschiedenen Seen stellte das Team zudem fest, dass die Gene, die sich am frühesten an Süßwasser angepasst hatten, gleichermaßen die größten morphologischen oder physiologischen Veränderungen bewirkten. Da sie sich in gemeinsamer Evolution entwickelt hatten, waren diese oft auch in Clustern angeordnet, wie beispielsweise die mit dem EDA-Gen verknüpften Gene.
Ein allgemeines Paläogenomikwerkzeug entwickeln
Die EXPLOAD-Methoden, insbesondere die Analyse von alter DNS aus Sedimenten, weisen ein breitgefächertes Potenzial auf. Sie liefern beispielsweise der Paläoökologie und Archäologie Informationen über vergangene Organismen und Ökosysteme, für die nur wenige Fossilienfunde vorliegen. Foote erweitert seine Untersuchungen nun auf weitere Sedimentkerne und Seen, um besser zu verstehen, warum sich die Geschwindigkeit und der Verlauf der Anpassung zwischen unabhängig voneinander besiedelten Süßwasserumgebungen unterscheiden. „Unser Ziel besteht darin, die sedimentäre Paläogenomik zu einem allgemeineren Werkzeug zur Rekonstruktion evolutionärer Veränderungen zu entwickeln, anstatt diese aus Vergleichen lebender Populationen abzuleiten“, fügt Foote hinzu.
