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H2020

Finch Evo-Devo — Ergebnis in Kürze

Project ID: 702707
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Vereinigtes Königreich
Bereich: Grundlagenforschung, Klimawandel und Umwelt

„Evo-Devo“ der Finkenschnäbel

Darwinfinken zeigen eine enorme Vielfalt in ihren Schnabelformen und-größen, die je nach Ernährungvariieren. Das von der EU finanzierte Projekt Finch Evo-Devo hat mithilfe erweiterter Genomik (Transkriptomik) erklärt, wie sich aus einem einzigen Ahnenvogel, der auf den Galapagosinseln gelandet war, 15 Finkenarten entwickeln konnten.
„Evo-Devo“ der Finkenschnäbel
Der evolutionären Entwicklungsbiologie oder kurz Evo-Devo [aus Engl. „evolutionary developmental genetics“] zufolge sind bei der Entwicklung von Tieren die meisten biologischen Formen des erwachsenen Tieres bereits während der embryonalen Entwicklung (also vor der Geburt/vor dem Schlüpfen) zu erkennen. Ein typisches Beispiel wären Kiemen und Schwanz, die dem Menschen vorübergehend wachsen, nur um dann später wieder zu verschwinden.

Die genetischen Entwicklungsprogramme variieren je nach Spezies, da es bei der Regulierung der bei der embryonalen Entwicklung aktiven Gene Unterschiede gibt. Bei den Darwinfinken sind die unterschiedlichen Schnabelformen und -größen schon bei den reiferen Embryos sichtbar. Dadurch wird deutlich, dass die Schnabelmorphologie genetisch bestimmt ist und nicht von Umweltfaktoren nach dem Schlüpfen abhängt (wie z. B. Fütterung). „Wir haben die Darwinfinken auf den Galapagosinseln untersucht, weil sie ein urtypisches Beispiel für die Evolution mit natürlicher Auslese darstellen und ihr Überleben zum Großteil von ihren Schnäbeln abhängt“, erklärt Dr. Arkhat Abzhanov, Koordinator des Projekts Finch Evo-Devo.

Modulare Evolution

Frühere Forschungsergebnisse der Gruppe zeigten anhand von mathematischer Modellierung, dass sich die verschiedenen Schnabelformen in drei Gruppen einteilen lassen. Innerhalb jeder Gruppe gibt es verschiedene Größen und die Gruppen werden anhand der Schnabelkrümmung unterschieden. „Wir hatten bereits entdeckt, dass die drei Dimensionen des Schnabels – Länge, Breite und Tiefe – sowie die zwei Gewebe, aus denen sie sich ergeben – Knorpel und Knochen – bei der embryonalen Entwicklung der Arten aus Gruppe A alle unabhängig voneinander über verschiedene Signalpfade gesteuert werden“, erläutert Dr. Mariya Dobreva, die leitende Forschungsmitarbeiterin.

Ihr Fazit war, dass die separaten Entwicklungsmodule unabhängige Variation untereinander erlaubten und so insgesamt für mehr Variation sorgten. Damit lässt sich wahrscheinlich die unglaubliche Vielfalt von Lebewesen auf unserem Planeten erklären.

Erweiterte Genomik – wo, wann und wie viel

Vergleichende Sequenzierung ganzer Transkriptome bedeutet erweiterte Genomik. Während Genomik Informationen zu den „Rezepten“ zum Bau eines Körpers liefert, zeigt uns die Trankriptomik wie diese Rezepte umgesetzt werden und gleichzeitig wo und wann Entwicklungsgene aktiv sind. Das Team hat die mRNA-Zusammensetzung in einem bestimmten Gewebe verglichen, in diesem Fall das Gewebe der Anlage des Schnabels, wenn sich die Schnabelform gerade ausprägt.

Jetzt validiert das Finch Evo-Devo=Team eine Untergruppe neuer Gene, die dafür verantwortlich sein könnten. Um ihre Rolle bei der Morphogenese des Schnabels zu bestimmen, werden bei genetisch veränderten Viren, die das fragliche Gen tragen und sich auf Hühnerembryonen in der Entwicklungsphase befinden, Tests auf Funktionsverlust oder -gewinn durchgeführt. „Wir testen an Hühnerembryonen, um die Schnabelform verschiedener Embryonen von Darwinfinken an Hühnern nachzuahmen. Wenn diese Nachahmung nach der Manipulation mit einem bestimmten Gen erfolgreich ist, bestätigt das dessen Rolle bei der Morphogenese des Schnabels“,sagt. Dr. Dobreva.

Bedeutende Ergebnisse

Finch Evo-Devo konnte erfolgreich sein neues Protokoll für den zukünftigen Einsatz optimieren und das Transkriptom wurde für alle drei Gruppen der Darwinfinken sequenziert.

Aufgrund von Unterschieden in der Expression zwischen den Arten kombiniert mit Erkenntnissen über Gennetzwerke beginnt man langsam, die komplexe Steuerung bei der Bildung gekrümmter Schnäbel zu verstehen. Bisher hat das Team einige der wahrscheinlichsten Gene durch In-situ-Hybridisierung validieren können, also durch eine Analyse, mit der sich der genaue Ort der Genexpression in Sektionen des Embryos von Darwinfinken bestimmen lässt.

Von einer äußerst erfolgreichen Exkursion zu den Galapagosinseln haben die Forscher genügend Embryoproben mitgebracht, um die Projektarbeit zu Ende führen zu können. Dr. Dobreva hat das Team auf internationalen und nationalen Konferenzen vertreten, Studenten unterrichtet und ein Exkursionsteam geleitet. Bald wird sie mit der Arbeit an der Veröffentlichung der Projektergebnisse aus Finch Evo-Devo beginnen.

Forschungspläne für Finch Evo-Devo und Anwendungsbereiche

Als nächstes müssen die Validierung der Gene abgeschlossen und Netzwerke identifiziert werden. Eine Folgefinanzierung ist dazu notwendig, doch leider hat schon die bisherige nicht ausreichende Finanzierung den Fortschritt der Arbeiten behindert.

Zusammenfassend sagt Dr. Abzhanov: „Nach der Veröffentlichung in einer hochkarätigen Fachzeitschrift wird sich das Team stärker auf die Öffentlichkeitsarbeit konzentrieren.“ Die Forschungsergebnisse aus Finch Evo-Devo versprechen bedeutende Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Entwicklungsgenetik und zwar nicht nur bei Finken.

Das neu erstellte Protokoll betrifft den eigentlichen Kern der Entwicklungsgenetik und könnte die Grundlage für Untersuchungen zur Entwicklung weiterer Organismen darstellen. „Daher ist die Finanzierung der Grundlagenforschung genauso wichtig wie die für angewandte Forschung“, merkt Dr. Abzhanov an.

Schlüsselwörter

Finch Evo-Devo, Entwicklung, Embryo, Darwinfink, ‚Schnabelform, Transkriptom
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