30.05.2023, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Frosch mit Fracht: Invasive Arten kommen nicht allein
Senckenberg-Forschende haben in ihrer heute im Fachjournal „Microbial Ecology“ veröffentlichten Studie ein neues invasionsbiologisches Konzept, die „nested invasions“ (verschachtelte Invasionen) vorgestellt. Anhand des Johnstones Pfeiffrosch zeigen sie, dass das Amphib nicht nur selbst fremde Regionen besiedelt, sondern auch invasive Mikrobiome im Gepäck hat. Die Wissenschaftler*innen liefern damit den ersten umfassenden Datensatz für eine invasive Gemeinschaft und warnen vor den noch unbekannten Einflüssen auf die neu besiedelten Ökosysteme.
Tiere tragen Billionen von Bakterien, Viren, Archaeen und Pilzen im Verdauungstrakt und auf der Haut. Diese im Körper liegenden Ökosysteme helfen ihnen, Nährstoffe zu gewinnen, Krankheitserreger zu bekämpfen und ihr Immunsystem zu entwickeln. „Solche ‚Mikrobiome‘ finden sich auch bei Amphibien, insbesondere die aufgrund ihrer Hautatmung feuchte Haut ist hierfür prädestiniert“, erklärt PD Dr. Raffael Ernst von den Senckenberg Naturhistorischen Sammlungen in Dresden und fährt fort: „Uns interessiert wie sich die Mikrobiome von gebietsfremden Arten auf die heimischen Ökosysteme auswirken und welche Rolle sie für eine erfolgreiche Besiedlung der Einwanderer spielen.“
Um dieser Fragestellung nachzugehen hat Ernst mit Erstautorin und Doktorandin Franziska Leonhardt und Forschenden aus München und Stuttgart den Johnstones Pfeiffrosch (Eleutherodactylus johnstonei) unter die Lupe genommen. Der nur etwa 17 bis 35 Millimeter große und ursprünglich auf den Kleinen Antillen beheimatete Frosch ist ein sehr erfolgreicher tierischer Einwanderer, der sich über die gesamte Karibik und weite Teile des Festlandes von Mittel- und Südamerika ausgebreitet hat und auch in botanischen Gärten Europas zu finden ist. „Wir haben das Haut- und Darmmikrobiom von Eleutherodactylus johnstonei aus einheimischen Populationen in St. Lucia und eingewanderten Populationen in Guadeloupe, Kolumbien sowie aus europäischen Gewächshäusern genetisch analysiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass amphibienassoziierte und mikrobielle Umweltgemeinschaften als ‚Meta-Gemeinschaften‘ betrachtet werden können, die miteinander interagieren. Diese Interaktionen mit der Umwelt spielen beim Hautmikrobiom eine größere Rolle als bei dem des Darms“, erläutert Leonhardt die Resultate.
Hohe Anteile von Bakterien können sich zwischen Fröschen und Umwelt ausbreiten, so die Wissenschaftler*innen in ihrer Studie. Sie plädieren dafür, dass der Verbreitung der Mikrobiota durch gebietsfremde Arten mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte, um einer Verbreitung von durch Vektoren übertragenen Krankheitserregern sowie nicht-pathogenen Mikroben vorzubeugen.
„Konzepte zur Gemeinschaftsökologie sind das Herzstück eines ganzheitlichen Verständnisses der Dynamik und der Mechanismen biologischer Invasionen. Dies gilt insbesondere für die Bewertung der komplexen und vielfältigen Mikrobiota, die mit den jeweiligen invasiven Arten verbunden sind. Traditionelle Studien haben es bisher weitgehend versäumt, diese verschachtelten Einwanderungen zu berücksichtigen, und daher einen potenziell wichtigen Aspekt von Invasionsprozessen ignoriert. Wir können aber zusammenfassend sagen: Gebietsfremde Arten kommen nicht allein! Unser Ansatz kann die traditionelle Perspektive auf biologische Invasionen ergänzen und erweitern – auch um künftig bessere Schutzmaßnahmen zu ergreifen“, schließt Ernst.
Originalpublikation:
Leonhardt, F., Keller, A., Arranz Aveces, C. et al. From Alien Species to Alien Communities: Host- and Habitat-Associated Microbiomes in an Alien Amphibian. Microb Ecol (2023). https://doi.org/10.1007/s00248-023-02227-5
31.05.2023, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Wüstenameisen erhöhen in Abwesenheit von Landmarken die Sichtbarkeit ihres Nesteingangs
Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie berichten in der Zeitschrift Current Biology, dass Wüstenameisen höhere Nesthügel bauen, um futtersuchenden Arbeiterinnen die Rückkehr ins Nest zu erleichtern, wenn andere visuelle Orientierungshilfen fehlen.
Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie berichten in der Zeitschrift Current Biology, dass Wüstenameisen bei Abwesenheit sichtbarer Orientierungshilfen durch die Erhöhung ihres Nesteingangs die Wahrscheinlichkeit erhöhen können, dass futtersuchende Nestgenossen schnell und sicher nach Hause finden. Besonders die Ameisenkolonien, deren Nester tief in der tunesischen Salzpfanne zu finden sind, sind auf die selbstgebauten Landmarken angewiesen. Wurde der Hügel am Nesteingang abgetragen, begannen sie sofort mit dem Bau eines neuen Nesthügels, es sei denn, die Forschenden stellten künstliche Orientierungshilfen auf. Dieses Phänomen fügt dem erstaunlichen Orientierungssinn der kleinen Wüstenbewohner eine weitere faszinierende Facette hinzu (Current Biology, 31. Mai 2023, doi: 10.1016/j.cub.2023.05.019).
Wüstenameisen sind unübertroffene Meister der Orientierung. Sie leben in den Salzpfannen Nordafrikas, einer äußerst unwirtlichen Umgebung. Um Nahrung für ihre Nestgenossen zu finden, müssen futtersuchende Ameisen weit in die Wüste hineinlaufen. Wenn sie Futter, beispielsweise ein totes Insekt, gefunden haben, beginnt ihr eigentliches Problem: Wie finden sie in der überaus heißen und kargen Umgebung so schnell wie möglich in ihr Nest zurück? „Die Wüstenameise Cataglyphis fortis zeichnet sich durch ihre bemerkenswerte Fähigkeit aus, sich selbst in den rauesten Umgebungen erfolgreich zu orientieren und nach Nahrung zu suchen, was sie zu einem hervorragenden Objekt für die Untersuchung der Feinheiten der Navigation macht. Mit einem angeborenen Navigationsmechanismus, der so genannten Wegintegration, nutzen diese Ameisen sowohl einen Sonnenkompass als auch einen Schrittzähler, um die von ihnen zurückgelegten Entfernungen zu messen. Darüber hinaus besitzen sie die Fähigkeit, sichtbare Landmarken und ortsspezifische Gerüche zu erlernen und zu nutzen. Wir glauben, dass dieser extrem raue Lebensraum im Laufe der Evolution zu einem Navigationssystem von unübertroffener Präzision geführt hat,“ fasst Marilia Freire, die Erstautorin der Studie, zusammen, was bislang über die erstaunliche Orientierungsleistung dieser kleinen Tiere bekannt ist.
Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern war bei früheren Untersuchungen in Tunesien aufgefallen, dass die Nester in der Mitte der Salzpfannen, wo es kaum sichtbare Orientierungspunkte gibt, hohe Hügel an den Nesteingängen hatten. Im Gegensatz dazu, waren die Nesthügel in der Nähe der mit Büschen bewachsenen Ränder der Salzpfannen niedriger oder kaum vorhanden. Das Forschungsteam fragte sich daher schon länger, ob diese sichtbaren Unterschiede einen Zweck erfüllen und den Ameisen dabei helfen sollen, besser nach Hause zu finden. „Es ist immer schwer zu sagen, ob ein Tier etwas zielgerichtet tut oder nicht. Die hohen Nesthügel in der Mitte der Salzpfannen hätten auch ein Nebeneffekt der unterschiedlichen Bodenstruktur oder der unterschiedlichen Windverhältnisse sein können. Entscheidend für unsere Studie war jedoch die Idee, die Hügel zu entfernen, einige Nester mit künstlichen Orientierungspunkten zu versehen und andere wiederum nicht, um dann zu beobachten, was passieren würde,“ erläutert Markus Knaden, Leiter der Projektgruppe Geruchsgesteuertes Verhalten in der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie das Ziel der Untersuchung.
Für die Experimente folgten die Forschenden den Ameisen mit einem GPS-Gerät. So konnten sie die Ameisen auf ihrem Weg in die Salzpfanne und zurück nach Hause verfolgen. „Wir beobachteten, dass Wüstenameisen in der Lage sind, weit größere Entfernungen zurückzulegen als bislang berichtet. Die weiteste Strecke, die ein einzelnes Tier zurücklegte, war mehr als zwei Kilometer lang. Allerdings beobachteten die Forscher auch eine unerwartet hohe Sterblichkeitsrate. Etwa 20% der futtersuchenden Ameisen, denen sie folgten, fanden nach extrem langen Ausläufen nicht nach Hause zurück und starben vor unseren Augen, was den enormen Selektionsdruck für eine noch bessere Orientierung erklärt,“ sagt Marilia Freire.
Experimente, bei denen die Ameisen dank eines auf den Boden gemalten Gitternetzes während der letzten Meter zum Nest mit besonderer Genauigkeit verfolgt werden konnten, ergaben zweifelsfrei, dass die Nesthügel wichtige visuelle Orientierungshilfen sind. Wurden sie entfernt, fanden weniger Ameisen zurück ins Nest, während ihre Nestgenossen gleichzeitig damit begannen, die Nesthügel schnellstmöglich wiederaufzubauen. Platzierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hingegen künstliche Landmarken in Form kleiner schwarzer Zylinder in der Nähe der Nester, deren Hügel sie vorher abgetragen hatten, investierten die Ameisen nicht in den Bau neuer Hügel. Offenbar reichten die Zylinder als Orientierungshilfe aus.
In Ameisennestern herrscht Arbeitsteilung. Ameisen, die sich auf Futtersuche begeben, sind meist ältere und erfahrenere Nestmitglieder, während jüngere Ameisen mit dem Bau beschäftigt sind. Daher muss es einen Informationsaustausch zwischen beiden Gruppen geben. Wie das genau erfolgt, wissen die Forschenden noch nicht. „Eine Möglichkeit wäre, dass im Nest wahrgenommen wird, dass die Rate der Rückkehrenden sinkt, und infolgedessen Aktivitäten zum Bau des Nesthügels verstärkt werden,“ meint Marilia Freire.
Markus Knaden erforscht die Wüstenameisen schon seit 25 Jahren und ist immer wieder überrascht von ihren faszinierenden Fähigkeiten: „Trotz eines kleinen Gehirns lernen die Tiere visuelle und olfaktorische Landmarken. Darüber hinaus können sie entscheiden, welche Informationen für ihre Navigation nützlich sind und welche nicht. All dies war schon bekannt. Dass die Wüstenameisen jedoch sogar eigene Landmarken zur Orientierung bauen und sich nur dann für diesen Arbeitsaufwand entscheiden, wenn andere Orientierungshilfen fehlen, ist schon erstaunlich.“
Originalpublikation:
Freire, M., Bollig, A., Knaden, M. (2023). Absence of visual cues motivates desert ants to build their own landmarks. Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2023.05.019
https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.05.019
31.05.2023, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei
Methodentest „Bestäubergärtchen“: Ehrenamtliche gehen an Hochbeeten auf Hummel-Suche
Wie können Hummeln und andere Bestäuber auch in blütenarmen Agrarräumen erfasst werden? Eine neue Methode testen Forschende gemeinsam mit Ehrenamtlichen im Projekt „Wildbienen-Monitoring in Agrarlandschaften“: Hochbeete sollen ein insektenfreundliches Blühangebot schaffen.
Seit Mai 2023 testen Forschende des Thünen-Instituts für Biodiversität gemeinsam mit Ehrenamtlichen eine neue Methode, um Daten über Hummelvorkommen zu sammeln: sogenannte Bestäubergärtchen. Das sind Hochbeete, die mit regionalen und hummel-freundlichen Pflanzen bestückt sind und in der Agrarlandschaft aufgestellt werden. Im ersten Jahr der Testphase werden 25 solcher Bestäubergärtchen in Niedersachsen, Brandenburg und Nordrhein-Westfalen aufgebaut.
Citizen Science: Ehrenamtliche zählen, fotografieren und bestimmen Hummeln
Ehrenamtliche betreuen die Hochbeete und erfassen von Frühjahr bis Herbst die dort auftretenden Hummeln. Dafür werden die Beete einmal im Monat 20 Minuten lang beobachtet, alle Hummeln gefangen, fotografiert und danach wieder freigelassen. Für teilnehmende Ehrenamtliche, die ihr Wissen über Hummeln vergrößern möchten, bietet das Thünen-Institut kostenlose Kurse zur Hummelbestimmung an.
Die Ergebnisse ihrer monatlichen Hochbeet-Besuche übermitteln die Betreuerinnen und Betreuer an das Thünen-Institut. Dort werden die Ergebnisse verifiziert und die Ehrenamtlichen erhalten eine Rückmeldung zu den gefangenen Hummeln an ihren Hochbeeten.
Auch Passant*innen können beim Hummelmonitoring mitmachen: Sie können per App die Hummeln am Hochbeet selbst bestimmen und zählen.
Im Testjahr 2023 sind bereits alle Bestäubergärtchen vergeben. Wer sich ehrenamtlich im Wildbienen-Monitoring engagieren möchte, kann sich auf der Webseite http://wildbienen.thuenen.de unverbindlich für die kommende Monitoring-Saison anmelden.
Vorteil der Methode: Hummeln auch in blütenarmen Agrarlandschaften nachweisen
In intensiv genutzten Agrarlandschaften kann es vorkommen, dass während der Flugzeit von Hummeln und anderen Bestäubern nicht ausreichend Nahrung in Form von Blüten vorhanden ist. Die etablierte Transekt-Methode, bei der die Tiere entlang einer festgelegten Strecke auf einer Untersuchungsfläche erfasst werden, stößt dann an ihre Grenzen: Sind keine Blüten innerhalb eines gewissen Zeitraums vorhanden, können keine Hummeln aufgefunden werden, obwohl diese dort mit hoher Wahrscheinlichkeit vorhanden sind. Als „Pollen- und Nektar-Tankstellen“ sollen die Bestäubergärtchen die Wahrscheinlichkeit erhöhen, vorhandene Populationen nachzuweisen. Die Hochbeete sind damit eine Ergänzung zur Transekt-Methode, die bereits seit 2021 im Rahmen des Projekts getestet wird. Die Bestäubergärtchen sind so konzipiert, dass sie den Insekten als einzige Nahrungsquelle nicht ausreichen. Der Zustand lokaler Populationen wird dadurch also nicht verfälscht. Künftig könnten an den Hochbeeten auch weitere Bestäuber erfasst werden.
Das Ziel: Wissen über Wildbienen in der Gesellschaft vergrößern
Hummeln und andere Wildbienen sind als Bestäuber enorm wichtig – nicht nur für den Erhalt von biologischer Vielfalt und intakten Ökosystemen, sondern auch für die Ernährungssicherheit. Zum Zustand und zur Entwicklung von Wildbienenbeständen gibt es bisher in Deutschland keine repräsentative Datengrundlage. Das Forschungsprojekt „Wildbienen-Monitoring in Agrarlandschaften“ am Thünen-Institut für Biodiversität entwickelt und testet deshalb Methoden zur bestandschonenden Erfassung von Wildbienen in landwirtschaftlich genutzten Räumen.
In den Citizen-Science-Modulen haben Ehrenamtliche die Möglichkeit, einen Beitrag zur Forschung zu leisten und zugleich ihr eigenes Wissen über Wildbienen zu vergrößern. Das Projekt ist Teil des Verbundprojektes MonViA, dem bundesweiten Monitoring der biologischen Vielfalt in Agrarlandschaften.
01.06.2023, Ruhr-Universität Bochum
Wie der Mond die Fortpflanzung der Korallen synchronisiert
Damit sich Ei- und Spermazellen von Korallen unterschiedlicher Kolonien miteinander vermischen können, müssen die Tiere einer Art gleichzeitig ablaichen. Eine wichtige Rolle übernimmt bei der Synchronisation der Mond.
Korallen sind modulare Lebewesen, deren Kolonien teilweise mehrere hundert Meter auseinanderstehen. Es ist für die genetische Gesundheit der Riffe wichtig, dass sich bei der sexuellen Fortpflanzung die Ei- und Spermazellen der verschiedenen Kolonien miteinander vermischen. Doch dafür ist es notwendig, dass diese zu einem bestimmten Zeitpunkt gleichzeitig ablaichen.
Kooperationsprojekt in Indonesien
Meeresbiologin Dr. Mareike Huhn vom Lehrstuhl für allgemeine Zoologie und Neurobiologie der Ruhr-Universität Bochum erforscht gemeinsam mit Studierenden und Lehrenden der örtlichen Universität auf den Banda-Inseln im Indonesischen Indo-Pazifik, wie die Tiere sich synchronisieren.
Dazu gleichen die Forschenden den Zeitpunkt des Ablaichens mit verschiedenen Umweltfaktoren ab. Wie ist die Tide am besagten Tag? Wie sind die mittleren Wassertemperaturen und die Tageslänge? Wann geht an diesem Tag der Mond auf und unter? Ist Voll- oder Neumond?
Mehrere Faktoren sind im Spiel
„Es muss mehrere Ausschlaggeber geben“, fasst Mareike Huhn ihre Beobachtungen zusammen. „Die Eizellen müssen erst über mehrere Wochen hinweg in der Koralle reifen, bevor sie laichen kann. Auch das Einsetzten dieses Reifeprozesses muss durch irgendetwas ausgelöst werden – und zwar für alle Korallen einer Art gleichzeitig. Und dann muss der Zeitpunkt des eigentlichen Ablaichens synchron ausgelöst werden“, so Huhn.
Ihre Aufzeichnungen gaben Antworten auf diese Rätsel: Umweltfaktor Nummer eins, der die Eizellreifung auslöst, ist demnach die Wassertemperatur. Diese stieg immer genau einen Monat vor dem Ablaichen an. Dabei spielt sowohl der relative Temperaturanstieg der Oberflächentemperatur des Wassers eine Rolle – diese muss innerhalb von vier Wochen um 0,5 bis ein Grad Celsius steigen – als auch die totale Temperatur, welche zwischen 28 und 30 Grad liegen muss.
Der Vollmond gibt den Takt an
Doch wie synchronisieren sich die teils mehrere hundert Meter auseinanderstehenden Korallen, was die genaue Nacht des Ablaichens angeht? „Dafür spielt der Mond eine große Rolle, dessen Licht die Tiere über Lichtrezeptoren auf ihrer Körperoberfläche wahrnehmen“, erklärt Mareike Huhn. „Immer fünf, sechs oder sieben Tage nach Vollmond laichen die Korallen ab. Die genaue Anzahl der Tage hängt von der Art der Korallen ab.“
Die bisherigen Erkenntnisse helfen den Forschenden dabei, ein besseres Verständnis vom Leben der Korallen zu bekommen. Dies ist wichtig, da Korallenriffe einen sehr großen Beitrag zu einer funktionierenden Umwelt leisten. So bieten sie unzähligen Meeresbewohnern einen Lebensraum und die in ihnen lebenden Algen produzieren einen Teil des Sauerstoffs, den wir zum Leben auf der Erde benötigen.
Originalpublikation:
Der komplette Artikel erscheint im Wissenschaftsmagazin Rubin mit dem Schwerpunkt „Was die Welt zusammenhält“.
02.06.2023, Deutsches Primatenzentrum GmbH – Leibniz-Institut für Primatenforschung
Genome von 233 Primatenarten entschlüsselt
Neue Erkenntnisse über die genetische Diversität und Evolution unserer nächsten Verwandten sowie über die genetischen Ursachen menschlicher Krankheiten
Forschende aus 24 Ländern haben die Genome von 809 Affen aus 233 Arten analysiert und damit den bisher vollständigsten Katalog genomischer Informationen über unsere nächsten Verwandten erstellt. Das Projekt, das aus einer Serie von Einzelstudien besteht und an denen auch Forschende des Deutschen Primatenzentrums – Leibniz-Institut für Primatenforschung (DPZ) beteiligt waren, liefert neue Erkenntnisse zur Evolution der Primaten, einschließlich des Menschen, sowie zu deren Artenvielfalt. So hat sich bei Pavianen gezeigt, dass in mehreren Regionen ihres Verbreitungsgebietes Hybridisierung und Genfluss zwischen verschiedenen Arten stattfand und heute noch stattfindet und dass Paviane ein gutes Modell für die Evolution frühmenschlicher Linien innerhalb und außerhalb Afrikas sind. Außerdem ermöglichen die Genomdaten mit Hilfe eines speziell entwickelten KI-Algorithmus, neue Erkenntnisse über die genetischen Ursachen menschlicher Krankheiten zu gewinnen (Sonderausgabe Science).
Primaten zeigen eine große genetische Vielfalt, die zwischen Arten und geografischen Regionen variiert. „Die Erforschung dieser Vielfalt ist von entscheidender Bedeutung auch für das Verständnis der menschlichen Evolution, den Ursprung menschlicher Krankheiten und für den Schutz unserer nächsten Verwandten“, sagt Christian Roos, Wissenschaftler in der Abteilung Primatengenetik am Deutschen Primatenzentrum und einer der Autoren. Unter der Leitung von Forschenden der Universitat Pompeu Fabra, Spanien, des Baylor College of Medicine, USA, und der Firma Illumina Inc., USA, wurden die Genome von 809 Individuen von 233 Primatenarten sequenziert. Dies deckt fast die Hälfte aller existierenden Primatenarten ab und erhöht die Anzahl der verfügbaren Primatengenome um das Vierfache.
Neue Erkenntnisse zur Evolution von Primaten und zur Sonderstellung des Menschen
Die vergleichenden Analysen liefern grundlegende Informationen zur genetischen Vielfalt und Evolutionsgeschichte von Primaten und wichtige Erkenntnisse darüber, was uns Menschen von den anderen Primaten unterscheidet. Die Genomdaten haben die Zahl der genomischen Varianten, von denen man annahm, sie kommen ausschließlich im Menschen vor, halbiert. „Dies macht die Suche nach Mutationen leichter, die wir nicht mit anderen Primaten teilen, und die daher Grundlage für die Merkmale sein könnten, die uns zu Menschen machen“, sagt Dietmar Zinner, Wissenschaftler in der Abteilung Kognitive Ethologie am Deutschen Primatenzentrum.
Eine der Studien befasst sich eingehender mit der Evolution der Paviane und findet, dass es mehrere, bisher unbekannte Episoden von Hybridisierung und Genfluss zwischen Pavianarten gegeben hat. „Wir haben herausgefunden, dass Paviane aus West-Tansania die ersten nichtmenschlichen Primaten sind, die aus drei genetischen Vorläuferlinien (Arten) hervorgegangen sind“, sagt Liye Zhang, Promovierender am Deutschen Primatenzentrum und einer der Erstautoren dieser Pavianstudie. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die genetische Struktur der Pavianpopulation und ihre Geschichte des Genaustauschs zwischen Arten komplexer ist als bisher angenommen und zeigen, dass Paviane ein gutes Modell für ähnliche Prozesse in der Evolution früh-menschlicher Linien in und außerhalb Afrikas sind“, sagt Dietmar Zinner.
Artenschutz mit Hilfe von Genomdaten
Eine hohe genetische Diversität ermöglich es Arten sich besser an sich verändernde Umweltbedingungen und Krankheitserreger anzupassen. Insbesondere bei kleinen Populationen ist die Gefahr von Inzucht und damit einer Verminderung der genetischen Diversität gegeben. Die Analyse der Diversität gibt daher Aufschluss, welche Arten zumindest aus genetischer Sicht am dringendsten geschützt werden müssen. Bereits jetzt sind 63 Prozent aller Primatenarten vom Aussterben bedroht. „Besonders niedrige genetische Diversität fanden wir bei den Goldstumpfnasenaffen Chinas und beim Fingertier in Madagaskar“, sagt Christian Roos.
Seltene Mutationen können das Krankheitsrisiko erhöhen
Eine der Grenzen in der Human- und klinischen Genetik besteht darin, dass es derzeit nicht möglich ist, unter Hunderttausenden von Mutationen diejenigen zu erkennen, die Krankheiten verursachen. Gegenwärtig sind die genetischen Ursachen vieler Volkskrankheiten wie Diabetes und Herzerkrankungen unbekannt, was entweder auf fehlende genetische Informationen oder auf die große Zahl der beteiligten genetischen und anderen Faktoren zurückzuführen ist. Durch den Vergleich der Primaten-Genome konnten nun 4,3 Millionen Mutationen identifiziert werden, die möglicherweise die Funktion von Proteinen verändern und somit zu Krankheiten beim Menschen führen können. Sechs Prozent der 4,3 Millionen identifizierten Mutationen kommen bei Primaten häufig vor und werden daher als potenziell für wenig ausschlaggebend für menschliche Krankheiten angesehen, da sie bei diesen Tieren toleriert werden. Dank des von der Firma Illumina Inc. entwickelten Deep-Learning-Algorithmus PrimateAI-3D können krankheitsverursachende Mutationen nun identifiziert werden. „Es handelt sich um eine Art ChatGPT für die Genetik, das Genomsequenzen anstelle menschlicher Sprache verwendet“, erklärt Kyle Farh, Vize-Direktor der KI-Gruppe bei Illumina Inc., dem weltweit führenden Unternehmen im Bereich DNA-Sequenzierung.
Originalpublikation:
• Kuderna, LFK, et al.: A global catalog of whole-genome diversity from 233 primate species. Science. May, 2023. https://doi.org/10.1126/science.abn7829
• Sørensen, E, et al.: Genome-wide coancestry reveals details of ancient and recent male-driven reticulation in baboons. Science. May 2023. https://doi.org/10.1126/science.abn8153
• Gao, H, et al.: The landscape of tolerated genetic variation in humans and primates. Science. May 2023. https://doi.org/10.1126/science.abn8197
• Wu, H, et al.: Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey. Science. May 2023. https://doi.org/10.1126/science.abl4997
02.06.2023, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Eine Feuerwehr gegen gefährliche Stechmücken. Neue Technologie kann vor der Verbreitung tropischer Krankheiten schützen
Mit der warmen Jahreszeit beginnt in Europa wieder die Hochsaison der Stechmücken. Während sie und ihre Larven vielen Tieren als Beute dienen und sie damit eine wichtige Rolle im Ökosystem einnehmen, empfinden Menschen die kleinen Blutsauger eher als lästig. Mittlerweile können sie uns jedoch auch gefährlich werden. Denn zunehmend kommen in Mitteleuropa Stechmücken aus tropischen und asiatischen Regionen vor. Diese können unter anderem das Zika- oder das West-Nil-Virus übertragen, die gefährliche Fiebererkrankungen auslösen. Ein Team hessischer Wissenschaftler*innen zeigt, wie die weitere Ausbreitung dieser Stechmückenarten gezielt und umweltschonend verhindert werden kann.
Mit der warmen Jahreszeit beginnt in Europa wieder die Hochsaison der Stechmücken. Während sie und ihre Larven vielen Tieren als Beute dienen und sie damit eine wichtige Rolle im Ökosystem einnehmen, empfinden Menschen die kleinen Blutsauger eher als lästig. Mittlerweile können sie uns jedoch auch gefährlich werden. Denn zunehmend kommen in Mitteleuropa Stechmücken aus tropischen und asiatischen Regionen vor. Diese können unter anderem das Zika- oder das West-Nil-Virus übertragen, die gefährliche Fiebererkrankungen auslösen. Ein Team von Wissenschaftler*innen des hessischen LOEWE-Zentrums für Translationale Biodiversitätsgenomik und Partnerinstitutionen zeigt, wie die weitere Ausbreitung dieser Stechmückenarten gezielt und umweltschonend verhindert werden kann.
Von den weltweit etwa 3.500 Arten von Stechmücken sind rund 100 Arten in Europa heimisch. Doch es werden mehr: Begünstigt durch den globalen Handel und den Klimawandel siedeln sich hier vermehrt invasive Arten wie die Asiatische Tigermücke, der Japanische Buschmoskito oder die Gelbfiebermücke an. Sie bringen die Fähigkeit mit, Viren ursprünglich tropischer Krankheiten zu übertragen: Während sich das West-Nil-Virus bereits in Deutschland etabliert hat, breiten sich aus dem Mittelmeerraum auch Dengue- und Gelbfieberinfektionen nach Norden aus.
Die Bekämpfung von invasiven Stechmücken, deren Larven sich im Wasser entwickeln, ist jedoch nicht nur technologisch, sondern auch hinsichtlich gesellschaftspolitischer Aspekte eine große Herausforderung. Denn Neuerungen bei Gesetzen und Verordnungen im Zuge des „Aktionsprogramms Insektenschutz“ der deutschen Bundesregierung schränken den Einsatz von Pestiziden besonders in und an Gewässern ein. Die Freisetzung von gentechnisch veränderten Stechmücken wird vom überwiegenden Teil der Bevölkerung abgelehnt. Doch auf welchem Weg kann dann die Gesundheit der Menschen geschützt werden?
In einem in der Zeitschrift „Biotechnology Advances“ veröffentlichten Artikel zeigt ein Konsortium von Frankfurter und Gießener Forscher*innen des LOEWE-Zentrums TBG mit einer neu von ihnen entwickelten Technologie einen Ausweg aus diesem Dilemma zwischen Natur- und Gesundheitsschutz auf. Ihr gemeinsames Ziel ist der Aufbau einer Art Feuerwehr gegen tropische Krankheiten, die von Stechmücken übertragen werden.
Eine effiziente Überwachung der Ausbreitung von Stechmücken und Viren ermöglicht dabei zunächst die genetische Analyse von Gewässerproben, sogenannter „Umwelt-DNA“. Dafür wurden im Team bereits die Genome verschiedener eingewanderter Stechmücken sequenziert, um Verfahren zu entwickeln, die ähnlich wie ein PCR-Test einen sicheren Nachweis ermöglichen. In einem zweiten Schritt kommt die neue Technologie der „RNA-Interferenz“ zum Einsatz. „Dabei wird den Stechmückenlarven im Verbreitungsgebiet Nahrung zur Verfügung gestellt, die doppelsträngige Ribonukleinsäuren, kurz RNAs, enthält. Diese wichtigen Informations- und Funktionsträger, die in jeder Zelle von Lebewesen vorkommen, entfalten ihre Wirkung dann über den Darm der Larven und schalten einige ihrer zum Überleben wichtigen Gene aus“, erklärt Miklós Bálint, Professor für Funktionale Umweltgenomik an der Justus-Liebig-Universität Gießen, am LOEWE-Zentrum TBG und am Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum Frankfurt, einer der Erstautoren der Studie. Die Vorteile dieser Methode: „Die RNA-Moleküle können so hergestellt werden, dass sie nur gegen die jeweilige Stechmückenart wirken und weder andere Insektenarten noch den Menschen gefährden. Weiterhin entstehen bei ihrem Abbau in der Umwelt keine giftigen Rückstände. Und es werden mit dieser Methode keine gentechnisch veränderten fortpflanzungsfähigen Stechmücken erzeugt“, so Bálint.
Derzeit forschen Teams des Konsortiums zur Entwicklung doppelsträngiger RNAs, die besonders gut zur Mückenbekämpfung und Virenkontrolle geeignet sind. Eine weitere große Herausforderung stellt deren „Verpackung“ dar. „Eine passende Formulierung dafür darf in der Umwelt nicht zu rasch zerfallen, soll aber in Form von Partikeln von den im Wasser lebenden Stechmücken aufgenommen werden“, berichtet Prof. Andreas Vilcinskas, Leiter des Institutsteils Bioressourcen am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Gießen, wo an einer Lösung gefeilt wird.
Vilcinskas koordiniert den Aufbau der „Feuerwehr“ zur Bekämpfung von invasiven Stechmücken am LOEWE-Zentrum TBG und den beteiligten Partner-Institutionen wie der Goethe-Universität Frankfurt am Main, der Justus-Liebig-Universität Gießen, der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, dem Frankfurter Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE) und dem Institut für Tropenmedizin im belgischen Antwerpen. „Unsere Publikation zeigt, wie die RNA-Interferenz, kurz RNAi, als innovative und umweltschonende Technologie für die Kontrolle sogenannter Vektoren – Krankheitserreger übertragender Lebewesen – in Europa zur Marktreife entwickelt werden kann. Auf RNAi basierende Sprays werden auch gegen Schadinsekten wie den Kartoffelkäfer entwickelt und sollen bald als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Pestiziden auf den Markt kommen“, beschreibt Vilcinskas die vielversprechenden Einsatzmöglichkeiten der neuen Methode.
Originalpublikation:
Publikation in Biotechnology Advances:
Ruth Müller, Miklós Bálint, Kornelia Hardes, Henner Hollert, Sven Klimpel, Eileen Knorr, Judith Kochmann, Kwang-Zin Lee, Marion Mehring, Steffen U. Pauls, Greet Smets, Antje Steinbrink, Andreas Vilcinskas
“RNA interference to combat the Asian tiger mosquito in Europe: A pathway from design of an innovative vector control tool to its application”
https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108167
02.06.2023, Deutsche Wildtier Stiftung
Wer Butterblumen einen Platz im Garten einräumt, hilft der Hahnenfuß-Scherenbiene
Der Juni ist der Monat der Hahnenfuß-Scherenbiene. Die fleißige Wildbiene ist mit sieben bis elf Millimetern nicht größer als ein Rosine. Um ihren eigenen Energiebedarf zu decken und sich mit zuckerhaltigem Nektar zu versorgen, fliegen Hahnenfuß-Scherenbienen unterschiedliche Blüten an. Für ihren Nachwuchs aber braucht diese Bienenart ausschließlich den Pollen von Hahnenfußgewächsen. Allein der Scharfe Hahnenfuß (Ranunculus acris), der Knollige Hahnenfuß (Ranunculus bulbosus), der Kriechende Hahnenfuß (Ranunculus repens) und der Wollige Hahnenfuß (Ranunculus lanuginosus) stehen auf der Larven-Speisekarte. Vielen Gärtnern sind diese Pflanzen allerdings ein Dorn im Auge. Sie rücken mit dem Unkrautstecher an und rupfen das vermeintliche Ärgernis aus der Erde. „Ist dann kein Hahnenfußgewächs zu finden, geht das Wildbienenweibchen nach einem langen Sammelflugtag leer aus“, sagt Anja Proske, Wildbienenschützerin bei der Deutschen Wildtier Stiftung. Die Folge: „Das Weibchen legt keine Brutzellen an und im Folgejahr gibt es keine Nachkommen.“
Andere Gärtner wiederum bezeichnen den Hahnenfuß liebevoll als Butterblume und freuen sich in wilden Ecken und an Beeträndern über seine gelben Blütenblätter als leuchtende Farbtupfer. Noch bis Ende Juni fliegen die Hahnenfuß-Scherenbienen emsig Gärten und andere Grünflächen auf der Suche nach dem gelben, krautigen Hahnenfuß ab. Gartenbesitzer können außer dem Belassen der Butterblume im Garten noch mehr Gutes für das Insekt und seine Nachkommen tun. Die Hahnenfuß-Scherenbiene nistet oberirdisch und bezieht daher auch gerne Wildbienenhotels. „Achten Sie darauf, dass die Nisthilfe regengeschützt und in Richtung Süden aufgehängt wird. Hahnenfuß-Scherenbienen bevorzugen Niströhren mit einem Innendurchmesser von etwa vier Millimetern“, erklärt Proske. Wurmstichiges Totholz oder Löcher in Mauern, aber auch Schilfmatten dienen der Wildbiene als Nistplatz. Und wer dem Hahnenfuß eine Chance gibt, hilft, dass die Hahnenfuß-Scherenbiene ihre Nachkommen großziehen kann.
Wer im eigenen Garten nach ihr Ausschau halten möchte: Von anderen Bienenarten, vor allem den Honigbienen, ist die Hahnenfuß-Scherenbiene gut zu unterscheiden. Sie ist schwarz gefärbt und hat schmale, helle Querbinden am länglichen Hinterleib. „Schauen Sie noch genauer hin, erkennen Sie auch die weißgraue Bauchbürste für den Pollentransport bei den Weibchen und ihre langen, scherenartigen Kiefer. Bei den Männchen sind es die gesägten Fühler und die bräunliche Behaarung, die ins Auge fallen“, so die Biologin.
