16.01.2024, Universität Potsdam
Hilfreiche Verwandtschaft – Forschende belegen gestiegene genetische Vielfalt des Iberischen Luchses
Auch vom Aussterben bedrohte und genetisch stark erodierte Tierarten wie der Iberische Luchs (Lynx pardinus) können unter bestimmten Umständen ihre genetische Vielfalt wieder vergrößern, wenn sie sich etwa mit eng verwandten Arten vermischen. Das belegt die Studie eines internationalen Forschungsteams unter der Leitung der Doñana Biological Station in Spanien, an dem auch der Potsdamer Evolutionsbiologe Prof. Dr. Michael Hofreiter beteiligt ist. Dabei konnten die Forschenden nachweisen, dass sich der Iberische Luchs in den vergangenen zwei- bis viertausend Jahren mit dem Eurasischen Luchs (Lynx lynx) gekreuzt hat, was zu einer Erhöhung seiner genetischen Vielfalt beigetragen haben dürfte.
Diese Erkenntnisse geben nicht nur Aufschluss über die Evolutionsgeschichte einer der seltensten Katzenarten der Welt, sondern sind auch von allgemeinem Interesse für Strategien zur Erhaltung von bedrohten Arten. Die Ergebnisse der Studie wurden nun im Journal „Nature Ecology & Evolution“ veröffentlicht.
Für die Studie analysierte das Team die DNA von drei fossilen Exemplaren des Iberischen Luchses: eines aus Andújar, das auf etwa 4.300 Jahre datiert wurde, eines aus Alcanar in Katalonien (2.500 Jahre) und eines aus der Algarve in Portugal (2.100 Jahre). Beim Vergleich der Ergebnisse mit den genetischen Daten heutiger Individuen stellten die Forschenden etwas völlig Unerwartetes fest: Die genetische Vielfalt der alten Luchse war geringer als die der heutigen Luchse. Da die Population des Iberischen Luchses im Laufe der Zeit abnahm, sollte die genetische Vielfalt heute lebender Exemplare jedoch geringer und nicht höher sein.
Das Forschungsteam fand eine mögliche Erklärung dafür in der sogenannten Hybridisierung. „Die Analysen ergaben, dass die modernen Luchse mehr genetisches Material mit ihrer Schwesterart, dem Eurasischen Luchs, teilen als die älteren Luchse“, sagt die Erstautorin der Studie María Lucena, die diese Arbeit im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Biologischen Station Doñana – CSIC durchgeführt hat. „Dies deutet darauf hin, dass in den letzten zweitausend Jahren ein genetischer Austausch zwischen den beiden Arten stattgefunden hat.“ Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die jüngeren der alten Exemplare des Iberischen Luchses – aus Katalonien und der Algarve – mehr genetische Varianten des Eurasischen Luchses aufweisen als die älteren Exemplare aus Andújar. Das Verbreitungsgebiet des Iberischen Luchses könnte sich vor Tausenden von Jahren bis nach Südfrankreich und Norditalien erstreckt haben, während der Eurasische Luchs bis vor wenigen Jahren den Norden der iberischen Halbinsel bewohnte, was einen Genaustausch zwischen den beiden Arten ermöglichte. Der Genfluss vom Eurasischen Luchs zum Iberischen Luchs hätte sich dann auf alle modernen Populationen ausgebreitet.
Die Erkenntnisse der Studie könnten auch für die Bemühungen um den Schutz bedrohter Arten relevant sein. Die genetische Vielfalt ist eine wesentliche Voraussetzung für Arten, sich an Veränderungen in ihrer Umwelt anpassen zu können. Deshalb sind gerade Arten, deren Populationen drastisch geschrumpft sind, doppelt bedroht – wie der Iberische Luchs: Obwohl sich seine Population in den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts etwas erholt hat, verfügt der Iberische Luchs noch nicht über eine Mindestpopulationsgröße, die eine akzeptable genetische Vielfalt in der Zukunft gewährleistet. Könnte die Hybridisierung mit anderen Arten dieses Problem lösen? Die Einführung von entfernt verwandten Individuen in gefährdete und genetisch deprivierte Populationen als Erhaltungsstrategie ist durchaus umstritten.
„Unsere Ergebnisse ergänzen die sich häufenden Belege für natürliche Vermischung und Introgression in den Genomen vieler Arten und zeigen, dass dies zu einem Anstieg der vorhandenen genetischen Vielfalt in genetisch stark erodierten Populationen führen kann“, sagt Michael Hofreiter. „Insofern sollte man die strikte Vermeidung interspezifischer Quellen bei Maßnahmen zur genetischen Wiederherstellung möglicherweise überdenken und sorgfältig prüfen – vor allem dann, wenn – wie beim Iberischen Luchs –keine zusätzliche Population der gleichen Art vorhanden ist, so dass eine eng verwandte Art die einzige Quelle für neue genetische Vielfalt sein könnte.“
Die Studie im Internet:
Maria Lucena-Perez, Johanna L. A. Paijmans, Francisco Nocete, Jordi Nada5, Cleia Detry, Love Dalén, Michael Hofreiter, Axel Barlow, José A. Godoy: Recent increase in species-wide diversity after interspecies introgression in the highly endangered Iberian lynx, Nature Ecology & Evolution, https://www.nature.com/articles/s41559-023-02267-7, DOI: 10.1038/s41559-023-02267-7
17.01.2024, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Seidenspinner: Unterschiedliche Geruchswelten von Weibchen und Männchen
Weibchen der Falter nutzen ihren Geruchssinn vor allem zum Aufspüren der besten Wirtspflanzen für die Ablage ihrer Eier, eine wichtige Rolle spielt dabei die abschreckende Wirkung von Raupenkot.
Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie hat zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg die Geruchswahrnehmung von weiblichen Seidenspinnern genauer untersucht. Mittels elektrophysiologischer Methoden fanden sie heraus, dass die Antenne, die bei männlichen Seidenspinnern auf das Aufspüren weiblicher Pheromone spezialisiert ist, bei den Weibchen besonders empfindlich auf den Duft von Seidenraupenkot reagiert. Bestandteile dieses Duftes erwiesen sich als abschreckend für verpaarte Weibchen, die bei der Eiablage vermutlich Konkurrenz für den eigenen Nachwuchs meiden. Die verantwortlichen Geruchsnervenzellen befinden sich in haarähnlichen Strukturen, den Riechhaaren oder Sensillen. Bei den Männchen erfolgt die Erkennung von Pheromonen in einem langen Typ dieser Riechhaare, während Nervenzellen in den langen Riechhaaren der Weibchen auf den Geruch von Raupenkot reagieren. Den Duft des Maulbeerbaums, der einzigen Futterpflanze für Seidenraupen, nehmen Seidenspinnerweibchen mit Hilfe der Nervenzellen in halblangen Riechhaaren wahr (Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, Januar 2024, doi: 10.1098/rspb.2023.2578).
Für weibliche Seidenspinner riecht die Welt anders als für Männchen
Beim Menschen ist der Geruchssinn von Männern und Frauen ähnlich entwickelt, auch wenn Frauen etwas mehr Geruchsneuronen und damit eine etwas feinere Nase haben. Im Großen und Ganzen nehmen sie aber die gleichen Gerüche wahr. Männliche Nachtfalter hingegen leben in einer völlig anderen Geruchswelt als ihre Weibchen. So ist beispielsweise die Antenne von männlichen Seidenspinnern, also deren „Nase“, stark auf die Erkennung von weiblichen Sexuallockstoffen spezialisiert, während die Weibchen ihre eigenen Pheromone gar nicht wahrnehmen können. Auf den Antennen gibt es Tausende von Riechhaaren oder Sensillen, die in morphologisch und funktionell unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden können. Die am häufigsten vorkommenden Riechhaare beim Männchen sind lang und beherbergen zwei Nervenzellen. Eine davon ist auf die Aufgabe spezialisiert, Bombykol wahrzunehmen, das Sexualpheromon der Weibchen, die andere reagiert auf Bombykal, ein Bestandteil des Pheromons anderer Falterarten. Während Bombykol eine stark anziehende Wirkung auf Seidenspinnermännchen hat, wirkt Bombykal abschreckend.
„Da die Seidenspinnerweibchen ihr eigenes Pheromon nicht riechen können, wurde lange vermutet, dass ihre langen Riechhaare ebenfalls eine spezifische Funktion haben, die nur bei Weibchen zu finden ist. Die einzige Aufgabe eines Weibchens besteht eigentlich darin, nach der Paarung eine geeignete Pflanze für die Eiablage zu finden. Man hatte daher angenommen, dass die langen Riechhaare der Weibchen auf einen anlockenden Duft von Maulbeerbäumen spezialisiert sind. Diese Annahme wollten wir überprüfen“, sagt Sonja Bisch-Knaden, die in der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie eine Projektgruppe leitet.
Lange Riechhaare der Seidenspinnerweibchen erkennen den Kot von Seidenraupen
Für die Studie waren elektrophysiologische Methoden, wie die Messung der Aktivität einzelner Riechhaare entscheidend. Dafür testeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur viele verschiedene Einzeldüfte, sondern auch natürliche Duftmischungen, wie sie in den Blättern des Maulbeerbaums, dem Raupenkot, dem Körpergeruch von Faltern oder dem Mekonium, einer Flüssigkeit, die Falter beim Schlüpfen absondern, vorkommen. All diese Düfte spielen im Umfeld der Seidenspinner eine Rolle und wurde daher vorab gesammelt. Außerdem konnte das Forschungsteam die Expression von Geruchsrezeptoren den jeweiligen Riechhaartypen zuordnen.
„Überraschend war für uns, dass die Nervenzellen in den langen Riechhaaren der Seidenspinnerweibchen nicht wie erwartet auf die Wahrnehmung der Wirtspflanze spezialisiert sind, sondern dass eine der beiden Nervenzellen in langen Riechhaaren sehr empfindlich auf Duftstoffe wie Isovaleriansäure und Benzaldehyd reagiert. Die Wahrnehmung des Dufts der Maulbeerblätter selbst erfolgt durch Nervenzellen in halblangen Riechhaaren“, fasst Sonja Bisch-Knaden die Ergebnisse zusammen.
Isovaleriansäure und Benzaldehyd sind Duftkomponenten von Seidenraupenkot. Mit Hilfe eines einfachen Y-Maze-Tests mit einem Eingangsarm, der sich in zwei Seitenarme aufteilt, durch die entweder ein Duft oder reine Luft (Kontrolle) eingeleitet wird, konnte das Forschungsteam ein Verhalten bei den bewegungsarmen Weibchen auslösen, das Anziehung oder Abneigung zum Ausdruck brachte. Große Unterschiede wurden beim Vergleich zwischen jungfräulichen und verpaarten Weibchen deutlich. So konnten die Forschenden zeigen, dass die mit Raupenkot assoziierten Düfte bei jungfräulichen Weibchen keine spezifische Reaktion auslösten, während sie auf verpaarte Weibchen abschreckend wirkten. Vermutlich helfen Kotgerüche den Weibchen, bei der Eiablage Maulbeerbäume zu meiden, die bereits von vielen Raupen besetzt sind.
Auf der Suche nach dem männlichen Seidenspinner-Pheromon
Das Pheromon weiblicher Seidenspinner, Bombykol, wurde bereits 1959 chemisch charakterisiert – als erstes Insektenpheromon überhaupt. Bislang ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nicht gelungen, ein männliches Pendant zu identifizieren. Die aktuelle Studie liefert zwar Hinweise, aber keine Antworten auf die Frage nach einem männlichen Pheromon. „Die zweite Nervenzelle in den langen Riechhaaren der Weibchen reagiert hochspezifisch auf (+)-Linalool, ein Duft, der bereits in anderen Schmetterlingsarten als Bestandteil des männlichen Pheromons nachgewiesen wurde. Allerdings konnten wir im Körpergeruch von Seidenspinnermännchen kein Linalool finden, und (+)-Linalool allein wirkte in Verhaltensversuchen auf Seidenspinnerweibchen weder anziehend noch abstoßend“, sagt Sonja Bisch-Knaden.
Besonderheiten bei der Geruchswahrnehmung von Seidenspinnern
Bei der Untersuchung der molekularen Grundlagen der Geruchswahrnehmung in Seidenspinnerweibchen fiel den Forschenden eine Besonderheit bei der räumlichen Organisation der Geruchsrezeptoren auf. Es gibt zwei Familien von Geruchsrezeptoren: die evolutionär älteren ionotropen Rezeptoren (IRs), die hauptsächlich Säuren erkennen, und die olfaktorischen Rezeptoren (ORs), die ein breites Spektrum an chemisch unterschiedlichen Verbindungen erkennen. Aufgrund von Studien an der Modellfliege Drosophila melanogaster ging man lange davon aus, dass Nervenzellen, die IRs oder ORs exprimieren, in der Regel in verschiedenen Riechhaartypen vorkommen, und dass IRs nie in langen Riechhaaren vorkommen. Beim Seidenspinner jedoch finden sich sowohl ein IR-Ko-Rezeptor für das Aufspüren von Säuren als auch der obligate OR-Ko-Rezeptor in denselben Nervenzellen, die sich in langen Riechhaaren befinden. Diese Ko-Expression von IRs und ORs erweitert die chemische Bandbreite der Geruchsnervenzellen. Gerüche, die von beiden Rezeptortypen erkannt werden, werden gemeinsam verarbeitet und weitergeleitet, was für die eindeutige Erkennung von ökologisch wichtigen Geruchsmischungen von Vorteil sein könnte. „Es ist erstaunlich, dass die Erforschung des Geruchssinnes von Insekten immer wieder überraschende Ergebnisse zu Tage fördert. Unsere Studie zeigt, dass es wichtig ist, nicht nur an einem Modell zu forschen“, sagt der Leiter der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie Bill Hansson.
Die Ko-Expression der beiden beider Rezeptortypen fanden die Forschenden auch in den langen Riechhaaren der Seidenspinnermännchen, weshalb sie davon ausgehen, dass die Wahrnehmung von Säuren auch bei männlichen Seidenspinnern eine bedeutende ökologische Rolle spielen könnte. Dies sollen jetzt weitere Untersuchungen klären.
Originalpublikation:
Schuh, E., Cassau, S., Ismaieel, A. R., Stieger, R., Krieger, J., Hansson, B. S., Sachse, S., Bisch-Knaden, S., (2024). Females smell differently: characteristics and significance of the most common olfactory sensilla of female silkmoths. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, doi: 10.1098/rspb.2023.2578
https://doi.org/10.1098/rspb.2023.2578
18.01.2024, Universität Regensburg
„Invasive Ameisen entziehen sich unseren Angriffen“
Invasive Ameisen verzichten selektiv auf Giftköder und entziehen sich so dem wirksamsten Bekämpfungsmittel
Invasive Ameisen sind wirtschaftlich kostspielig und ökologisch verheerend, und die meisten unserer Ausrottungsversuche sind gescheitert. Nun haben Forscher der Universität Buenos Aires und der Universität Regensburg herausgefunden, dass diese Ameisen die umweltfreundlichste und wirksamste Bekämpfungsmethode – Giftköder -, umgehen können, indem sie diese schnell aufgeben, bevor die Ameisen getötet werden können. Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich im Fachmagazin Nature veröffentlicht.
Die durch invasive Ameisen verursachten Kosten sind schwindelerregend: eine aktuelle Studie schätzt sie auf 52 Milliarden US-Dollar. Die ökologischen Kosten der Ameiseninvasion sind jedoch vielleicht noch schlimmer: Invasive Ameisen verdrängen die einheimischen Ameisen, destabilisieren die Ökosysteme und bringen sogar Wirbeltiere wie Seevögel an den Rand der Ausrottung. Viele Länder haben Millionen für Bekämpfungsmaßnahmen ausgegeben, aber zwei Drittel der Ausrottungsversuche sind gescheitert. Niemand weiß wirklich, warum.
„Ich habe jahrelang gegen Ameisenbefall gekämpft“, sagte Dr. Roxana Josens (Universidad de Buenos Aires), die die Studie leitete. „Ich habe Giftköder ausgelegt, um die Ameisen zu töten, und sie verschwanden – aber nur dort, wo die Köder lagen. Die Ameisen auf der anderen Seite der Wand waren noch sehr lebendig. Also fragte ich mich: Töte ich sie wirklich, oder tricksen uns die Ameisen aus?“ Um dies zu testen, ließen die Forscher*innen argentinische Ameisen von zwei verschiedenen Nahrungsquellen fressen. Es kamen immer mehr Ameisen, bis schließlich Hunderte von Ameisen gefüttert wurden. Dann wurde eine der Nahrungsquellen gegen eine identische ausgetauscht, die ein Insektengift enthielt, das die Ameisen aber trotzdem sehr gerne fraßen. Innerhalb weniger Stunden begann die Zahl der Ameisen an der Giftnahrung zu sinken, bis nach 6 Stunden nur noch 20 % übrig waren. Die Zahl der Ameisen auf dem nicht vergifteten Futter blieb jedoch hoch. „Es ist höchst unwahrscheinlich, dass der Rückgang der Ameisen am Futter darauf zurückzuführen ist, dass die Ameisen starben“, sagt Daniel Zanola, der das Experiment durchführte. „Im Labor ließen wir die Ameisen das giftige Futter trinken und beobachteten sie genau – nur sehr wenige starben innerhalb von 6 Stunden.“ Die Ameisen wurden auch nicht satt – sonst würde auch die ungiftige Nahrungsquelle Ameisen verlieren. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Ameisen das giftige Futter nicht wegen seines Geschmacks ablehnen. Irgendwie erkannten die Ameisen das Futter als giftig und ließen es selektiv liegen, um den schädlichen Auswirkungen zu entgehen.
„Das ist eine große Sache“, sagt Dr. Tomer Czaczkes vom Lehrstuhl für Zoologie und Evolutionsbiologie der Universität Regensburg, der ebenfalls an der Studie mitgearbeitet hat. „Erstens könnte dies erklären, warum es uns nicht gelingt, diese invasiven Ameisen in Schach zu halten. Aber es könnte noch schlimmer sein: Der Rückgang von 80 %, den wir feststellen, ist sehr ähnlich wie bei vielen anderen „erfolgreichen“ Bekämpfungsmaßnahmen. Aber haben diese früheren Bekämpfungsmaßnahmen die Ameisen dann wirklich getötet, oder wurden sie ebenfalls umgangen? Wir wissen es einfach nicht. Ich vermute, es war eine Mischung aus beidem“, so Dr. Czaczkes.
„Kürzlich haben mehrere Forscher herausgefunden, dass Ameisen über clevere Methoden verfügen, um sich gegen natürliche Feinde und Krankheitserreger zu verteidigen“, sagt Dr. Josens. „Es sieht so aus, als ob sie ihre ’soziale Immunität‘ auch zur Verteidigung gegen unsere Köder einsetzen könnten.“
Das Team arbeitet nun intensiv daran herauszufinden, wie genau die Ameisen ihre Verteidigung erkennen und koordinieren.
Originalpublikation:
Zanola, D., Czaczkes, T.J. & Josens, R.; “Ants evade harmful food by active abandonment”; Commun Biol 7, 84 (2024).
https://doi.org/10.1038/s42003-023-05729-7
