Wie evolutionäre Anpassung in den Genen entsteht

(20.10.2012) Die Fähigkeit, sich an veränderte Lebensumstände anzupassen, ist die Grundlage für Evolution. So stellen sich Arten beispielsweise auf die Folgen eines Klimawandels ein. Wie sich die Erbsubstanz DNA dabei genau verändert, ist aber weiterhin unklar.

Pablo Orozco-terWengel aus der Gruppe von Christian Schlötterer von der Vetmeduni Vienna fand jetzt bei Fruchtfliegen nach einer anhaltenden Änderung der Umgebungstemperatur nicht nur eine Reihe ganz bestimmter Veränderungen in den Genen der Tiere.


Fruchtfliegen in Behältern

Er konnte diese Veränderungen zudem in zwei deutlich verschiedene Gruppen einordnen. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Molecular Ecology“ erschienen.

Über kurz oder lang müssen sich alle Arten anpassen, um mit sich verändernden Lebensbedingungen fertig zu werden. Die genetischen Mechanismen dafür zu verstehen, ist jedoch schwierig: Evolution findet über lange Zeiträume statt, die schwer in Experimenten nachvollziehbar sind.

Jüngst bringt das Feld der experimentellen Evolution mit Modellorganismen jedoch erste wichtige Einblicke in die Genetik der Evolution.

Anstieg der Temperatur simuliert

So zeigt eine aktuelle Studie aus dem Institut für Populationsgenetik der Veterinärmedizinischen Universität Wien (Vetmeduni Vienna), wie die Evolution auf der Ebene der Gene funktionieren könnte.

Um zu sehen, was passiert, wenn eine Art längerer Zeit und deutlich veränderten Lebensumständen ausgesetzt ist, hielten Pablo Orozco-terWengel und seine Kollegen Martin Kapun und Viola Nolte Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) über mehrere Generationen unter für diese Tierart ungewohnten Umgebungstemperaturen von tagsüber 28 Grad Celsius und 18 Grad in der Nacht.

Ausgefeilte Genanalysen

Während des gesamten Experiments analysierten die Forschenden die Veränderungen im Erbgut der Fliegen. Dafür sequenzierten sie die DNA weiblicher Tiere nach einer bestimmten Abfolge einzelner Generationen gemeinsam (Pools).

Diese aufwändige Arbeit war möglich, weil die Forschenden mit Sequenziertechniken arbeiteten, die die rasche Analyse vollständiger Genome zulassen. Zudem konnten sie auf eine ausgeklügelte Auswertungssoftware zurückgreifen, die an ihrem Institut entwickelt wurde.

Unerwartet rasche Veränderungen

Zu Beginn der Experimente enthielten die Genome der Fliegen genügend Vielfalt (Polymorphismen), um die Selektion wirken zu lassen.

Die Forschenden konnten zunächst zeigen, dass die genetischen Veränderungen, die sie fanden, nicht durch Zufall entstanden, sondern offenbar einem gerichteten Selektionsdruck folgten.

Zudem konnten sie zeigen, dass diese Veränderungen schnell abliefen und weit über das gesamte Genom verbreitet waren. In nur 15 Generationen änderte sich die Häufigkeit von Genvarianten (Allelen) insgesamt deutlich stärker, als erwartet.

Zwei Gruppen von Allelen

Was die Forschenden zusätzlich überraschte war, dass all diese genetischen Veränderungen nicht gleich schnell abliefen. Während eine Gruppe von Genvarianten über 37 Fliegengenerationen stetig immer häufiger auftrat, nahmen andere Varianten sehr rasch zu und erreichten schon nach 15 Generationen einen Maximalwert.

Warum diese Kurve nicht weiter anstieg, ist unklar, könnte aber mit den zwischen 18 und 28 Grad schwankenden Temperaturen im Experiment zu tun haben, die zu unterschiedlichen Selektionsvorteilen der verschiedenen Genvarianten geführt haben könnten.

Schlötterer fasst zusammen: „Wir hatten natürlich erwartet, dass die Fliegen in ihren Genen auf die Umweltveränderungen reagieren werden. Was uns jedoch überraschte war, dass diese Veränderungen so deutlich in zwei verschiedene Gruppen fielen, mit so wenig Überlappung dazwischen. Spannend ist jetzt, herauszufinden, ob diese beiden Gruppen auch mit zwei unterschiedlichen Gruppen von Merkmalen in Verbindung stehen.“

Der Artikel “Adaptation of Drosophila to a novel laboratory environment reveals temporally heterogeneous trajectories of selected alleles” der Autoren Pablo Orozco-terWengel, Martin Kapun, Viola Nolte, Robert Kofler, Thomas Flatt und Christian Schlötterer wurde in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift “Molecular Ecology” veröffentlicht (Mol Ecol. 2012 Oct;21(20):4931-41).

Zusammenfassung des wissenschaftlichen Artikels online (Volltext gegen Entgelt oder Subskrtiption):
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-294X.2012.05673.x/abstract



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