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Soziale Genome

(21.5.15) In den Genomen von staatenbildenden Bienen hat die Evolution ihren Fußabdruck hinterlassen. Ein sozialer Lebensstil geht offenbar mit komplexerer Genregulation einher.

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"Marx hatte recht. Sozialismus funktioniert. Aber er hat mit dem falschen Modellorganismus gearbeitet." Dieses Bonmot des Evolutionsbiologen E.O. Wilson bringt es auf den Punkt. Denn anders als bei Homo sapiens dreht sich bei sozialen Insekten wie Ameisen und Bienen fast alles um das Gemeinschaftsgut. Arbeiterinnen verzichten gar auf eigene Nachkommen und schuften nur für das Wohl des Stocks.

Die Erklärung für den Altruismus der sozialen Ameisen und Bienen findet man in der ungewöhnlichen Genetik dieser Insekten und ihrem haplo-diploiden Fortpflanzungssystem. Die Weibchen der staatenbildenden Insekten sind näher mit ihren Schwestern verwandt als mit eigenen Nachkommen. Indem sie sich für ihre Schwestern und die Nachkommen der Königin aufarbeiten, sorgen sie in erster Linie dafür, dass ihre eigenen Gene in der nächsten Generation vertreten sind.

Diese Biene die ich meine...

Aber nicht alle Bienenarten leben sozial. Nicht nur die fiktive Biene Maja lebt ihre Individualität aus und schläft in einem Blütenkelch auf der Wiese, statt sich der Disziplin eines Stocks zu unterwerfen. Einzelgängerische Bienenarten gibt es auch in der Natur – zum Beispiel die Luzerne-Blattschneiderbiene (Megachile rotundata), die ihr Ein-Bienen-Nest gerne in hohlen Pflanzenstielen einrichtet. Und als Mittelweg zwischen solitärem Lebensstil und einem durchorganisierten Staat, mit mehreren tausend spezialisierten Individuen, findet man auch einfachere Formen sozialen Zusammenlebens. Zum Beispiel bei der dunklen Erdhummel Bombus terrestris.

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Sowohl theoretisch-genetisch als auch vergleichend-taxonomisch ist also klar, dass die Evolution der sozialen Insekten aus einzelgängerischen Vorfahren kein undarwinisches Hexenwerk ist. Aber die populationsgenetischen Formeln verraten nichts darüber, welche konkreten Evolutionsschritte auf dem Weg zum sozialen Lebensstil durchlaufen wurden, und wie sich die Genome dabei veränderten.

Ein internationales Konsortium unter Leitung von Forschern der University of Illinois hat nun zehn Bienengenome verschiedener Arten miteinander verglichen, um nach Spuren der Evolution des Sozialverhaltens in und zwischen den Genen zu suchen (Science, doi: 10.1126/science.aaa4788). Fünf dieser Bienengenome waren schon vorher sequenziert, die Forscher fügten nun fünf weitere hinzu. Auch Genetiker um Robin Moritz vom Institut für Biologie der Martin Luther Universität Halle-Wittenberg trugen Analysen zu dieser Arbeit bei (siehe diese Pressemitteilung).

Vom Einzelgänger zum Superorganismus

Komplexe Sozialstrukturen sind in Bienen mehrmals unabhängig voneinander ("konvergent") entstanden. Verändern sich bei solchen parallelen Prozessen auch die Genome in ähnlicher Weise? Oder führen verschiedene Pfade vom Einzelgängertum zum Superorganismus? Die zehn untersuchten Bienengenome sollten etwas darüber verraten; denn sie repräsentieren nicht nur unterschiedliche  Grade der sozialen Organisation, sondern auch mehrere unabhängige Übergänge zu mehr Sozialität.

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Die Forscher analysierten Anzahl und Typ der Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren, nahmen die Expansion von Genfamilien unter die Lupe, verglichen Methylierungsstellen und zählten Transposons. All dies auf der Suche nach Mustern, die typisch für komplex-soziale Bienenarten wie der Honigbiene sind. Als Vergleich dienten die Genome von Bienenarten mit einfachen Formen des Soziallebens, wie man sie bei der Erdhummel findet, sowie strikt einzelgängerische Arten wie die Luzerne-Blattschneiderbiene.

Bei den Analysen zeichnete sich ein generelles Muster ab: Die Genregulation wird anscheinend umso komplexer, je höher der soziale Organisationsgrad ist. Im Vergleich zu den Genomen der Einzelgängerbienen fanden die Forscher  bei den sozialen Arten mehr Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren. Auch DNA-Methylierungen nahmen offenbar auf dem Weg zur sozialen Lebensform zu – ein weiterer Hinweis auf komplexere Genregulation. Allerdings war der konkrete Pfad bei unabhängigen Übergängen zur Sozialität anscheinend jeweils ein anderer; jeweils unterschiedliche Gene bzw. Genfamilien expandierten oder zeigen Signaturen, die auf das Wirken der Selektion hinweisen.

Hallenser suchen springende Gene

Die Hallenser um Robin Moritz haben sich im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts um Transposons gekümmert. Sie fanden weniger  – und weniger unterschiedliche – springende DNA-Elemente, je komplexer das Sozialleben der untersuchten Bienenarten ist. Die Autoren wissen allerdings nicht so recht, woran es liegt, dass die Transposons auf dem Weg zur Sozialität weniger werden. Sie spekulieren, dass der Grund in der niedrigeren Rekombinationsrate der sozialen Insekten liegen könnte. In Sozialverbänden lebende Insekten werden auch weniger von Parasiten und Pathogenen geplagt, die Transposons via horizontalen Gentransfer übertragen.

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Was lernen wir aus dem Vergleich der Bienengenome? Die Autoren schließen ihr Paper so: "Wenn es möglich wäre, das Band des Leben noch einmal ablaufen zu lassen, würde Eusozialität über unterschiedliche Mechanismen entstehen, aber wahrscheinlich immer mit einer höheren Komplexität der Genregulation einhergehen."

Das klingt plausibel. Aber wie so oft nach der Lektüre eines reinen Genom-Artikels könnten Leser, die an konkreten Mechanismen interessiert sind, ein wenig enttäuscht sein. Denn die globalen Vergleiche verraten wenig darüber, an welchen Stellschrauben die natürliche Selektion jeweils konkret gedreht hat, um aus Einzelgängerbienen komplexe Staatsgebilde zu formen. Welche Signalwege wurden umgebaut, und wie beeinflussten diese Änderungen Verhalten, Gehirn und Morphologie der Bienen? Da gibt es noch einiges zu erforschen. Aber mit der Analyse der zehn Bienengenome im Rücken ergeben sich interessante Ansätze, diesen Fragen nachzugehen.

Hans Zauner

Foto: Wong Sze Fei / Fotolia



Letzte Änderungen: 10.07.2015

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