Bodensee-Stichlinge: Neues Licht auf die Evolution ähnlicher Arten

(11.11.2015) Bei ähnlichen, aber geografisch voneinander getrennten Populationen geht man grundsätzlich davon aus, dass sie durch eine unabhängige Anpassung an vergleichbare Umgebungen entstanden sind.

Dass auch eine andere Evolutionsgeschichte möglich ist, zeigen Biologen der Universität Basel anhand von Erbgutanalysen des Dreistachligen Stichlings im und um den Bodensee: Heute unabhängige, aber ähnliche Flusspopulationen dieser Fischart sind Überbleibsel der Urpopulation des gesamten Bodenseegebietes.

Die Studie ist eben in der Fachzeitschrift «Nature Communications» erschienen.


Stichlingsmännchen aus dem Bodensee (unten) und einem Zufluss (oben). Gut erkennbar: die unterschiedlich starken Knochenplatten entlang des Körpers, die bei den Flussstichlingen reduziert sind.

Der Dreistachlige Stichling ist ein beliebter Modellorganismus in der Evolutionsbiologie, da er in verschiedenen Lebensräumen (Habitaten) der nördlichen Hemisphäre vorkommt und sich entsprechend vielseitig an sie angepasst hat.

Da seine Lebensräume frühestens vor 12'000 Jahren vom Eis der letzten Eiszeit befreit wurden, sind die im Süsswasser vorkommenden Stichlingspopulationen relativ jung. Denn erst diese klimatische Veränderung ermöglichte den ursprünglich im Meer lebenden Stichlingen die Kolonisierung der Süssgewässer.

In ihrer Studie haben Evolutionsbiologen der Universität Basel das Erbgut Dutzender Stichlinge aus dem Bodensee, dem grössten Binnengewässer Europas, und seinen Zuflüssen untersucht – aus zwei Lebensräumen, die an ihre Bewohner ganz unterschiedliche Anforderungen stellen.

Daher unterscheiden sich die Populationen im Erscheinungsbild auch stark: So weisen etwa Seestichlinge entlang ihres Körpers stärker ausgebildete Knochenplatten auf – eine Anpassung zum Schutz vor spezifischen Fressfeinden im See.

Seestichlinge jünger als Flussstichlinge

Die untersuchten Stichlingspopulationen der Zuflüsse sind durch den Bodensee geografisch klar voneinander getrennt, was eine unabhängige Kolonisierung dieser Seezuflüsse durch Stichlinge aus dem See und deren Anpassung an die jeweils vorherrschenden Flussbedingungen nahelegt.

Doch die Basler Studie fördert eine ganz andere Evolutionsgeschichte zutage, jene der sogenannten «ökologischen Vikarianz» – der Trennung einer ursprünglich durchgängig verbreiteten Population durch unterschiedliche Lebensräume: «Die Stichlingspopulationen in den teils sehr kleinen Zuflüssen sind genetisch vielfältiger als die viel grössere Seepopulation», berichtet Erstautor Dr. Marius Rösti.

Weitere Analysen mithilfe von genetischen Daten bestätigen, dass nicht die Flussstichlinge, sondern die Seepopulation die evolutiv am stärksten modifizierteste und damit die jüngste Population im Bodenseegebiet ist.

Die Forscher rekonstruieren die Evolutionsgeschichte der Stichlinge im Bodenseeraum damit so: Das gesamte Gebiet, samt See und Zuflüssen, wurde vor wenigen 1000 Jahren von Stichlingen besiedelt, die bereits an die Lebensweise im Fluss angepasst waren – vermutlich über die Donau vom Schwarzen Meer her kommend. Darauf passten sich besonders die Stichlinge im See an ihren neuen Lebensraum an.

Aufgrund der durch diese Anpassung besonders starken Selektion ist die genetische Diversität in der Seepopulation noch heute stark reduziert. Anders die Stichlinge in den Zuflüssen, die schon seit Beginn der Kolonisierung des Bodenseeraums gut an ihr fliessendes Habitat angepasst waren – was ihre relativ hohe genetische Diversität erklärt.

Flusspopulationen mit ähnlichem Erbgut

Mit diesem Szenario übereinstimmend, konnten die Forscher in vielen Regionen des Erbguts der Seepopulation stärkere Spuren natürlicher Selektion nachweisen. «Die geografisch getrennten Flusspopulationen sollten also als ein Überbleibsel jener ursprünglichen Population angesehen werden, die einst das gesamte Bodenseegebiet besiedelte», so Marius Rösti.

Dies liefert auch eine Erklärung dafür, weshalb das Erbgut zweier voneinander weit entfernter Flusspopulationen – eine auf der deutschen und eine auf der schweizerischen Seeseite – ähnlicher ist als im jeweiligen Vergleich mit der direkt anliegenden Seepopulation.

Die Studie stützt auch die Auffassung, dass die evolutive Anpassung an einen neuen Lebensraum viele Veränderungen des Erbguts erfordert. Diese können bei den Bodensee-Stichlingen jedoch unmöglich in der gegebenen Zeit durch zufällige Mutationen neu entstanden sein.

Die für das Leben im See vorteilhaften genetischen Varianten müssen daher schon von den das Bodenseegebiet ursprünglich besiedelnden Stichlingen mitgebracht worden sein.

Rasche Anpassung durch Gen-Recycling

Ein solches «Rezyklieren» bereits existierenden Genmaterials erweist sich als evolutive Voraussetzung für die rasche Anpassung einer Population an eine neue Umwelt.

So zeigt die Studie weiter, dass dieselben genetischen Varianten im Erbgut für die Anpassung an das See-Habitat relevant sind, die auch im Meer – dem urtümlichen Lebensraum des Stichlings – einen evolutiven Vorteil haben.

Die Forscher erklären dies damit, dass der Bodensee ein dem Meer sehr ähnlicher Lebensraum darstellt, was zu einem vergleichbaren Selektionsdruck führt.

Relativ rasante evolutive Anpassungen können nicht nur beim Stichling, sondern auch bei vielen anderen Tier- und Pflanzenarten beobachtet werden. «Die Erkenntnisse der Studie sind von weitreichender Bedeutung für die Biodiversitätsforschung und das Verständnis der Artenvielfalt», so Marius Rösti.

Hochauflösende Erbgutanalysen an zahlreichen Individuen sind der evolutionsbiologischen Forschung erst seit wenigen Jahren zugänglich und gewähren neue, teils überraschende Einblicke in die Evolution neuer Lebensformen.

Publikation

Marius Roesti, Benjamin Kueng, Dario Moser & Daniel Berner
The genomics of ecological vicariance in threespine stickleback fish.
Nature Communications (2015), doi: 10.1038/ncomms9767



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