Entschlüsselung der genetischen Grundlagen der adaptiven Evolution
Studie enthüllt komplexe chromosomale Umlagerungen in einer Stabheuschrecke
Das Verständnis der materiellen Grundlagen der adaptiven Evolution ist ein zentrales Ziel der Biologie, das mindestens bis in die Zeit Darwins zurückreicht. Ein Schwerpunkt der aktuellen Debatten ist die Frage, ob die adaptive Evolution auf vielen Mutationen mit kleinen und annähernd gleichen Auswirkungen beruht, oder ob sie von einer oder wenigen Mutationen angetrieben wird, die große Veränderungen der Merkmale bewirken.
Eine weibliche, grüne Stabheuschrecke (Timema cristinae) mischt sich auf einem kalifornischen Flieder (Ceanothus) ein. Eine Studie des Forschers Zachariah Gompert von der Utah State University und seiner Kollegen, die in der Ausgabe vom 18. April 2025 der AAAS-Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, zeigt komplexe Chromosomenumlagerungen bei einer Stabheuschrecke.
Aaron Comeault
Chromosomenumlagerungen, bei denen große Teile von Chromosomen umgedreht, verschoben, gelöscht oder verdoppelt werden, sind eine mögliche Quelle für solche groß angelegten "Makromutationen". Die Charakterisierung von Chromosomenumlagerungen mit den üblichen DNA-Sequenzierungsmethoden war jedoch bisher schwierig.
Viele Organismen, einschließlich des Menschen, sind diploid, das heißt, sie haben zwei Chromosomensätze - einen von jedem Elternteil. Das Gleiche gilt für Stabheuschrecken. Dies macht die Identifizierung von Chromosomenumlagerungen bei der Zusammenstellung von Genomen schwierig.
"In der Vergangenheit haben wir die Daten der einzelnen Chromosomensätze gemittelt, aber die begrenzte Genauigkeit dieser Methode sagt nicht alles", sagt der Evolutionsbiologe Zachariah Gompert von der Utah State University. "Mit neueren molekularen und rechnerischen Ansätzen, die phasenweise Genomzusammensetzungen erzeugen, bei denen die beiden Kopien jedes Chromosoms separat zusammengesetzt werden, konnten wir direkt zeigen, wie komplexe chromosomale Umlagerungen es Stabheuschrecken ermöglicht haben, sich anzupassen, indem sie kryptisch auf verschiedenen Wirtspflanzen leben und dadurch Raubtieren entgehen."
Gompert und seine Kollegen berichten, dass die adaptive Divergenz bei den kryptischen Farbmustern auf zwei verschiedene, komplexe chromosomale Umlagerungen zurückzuführen ist, bei denen Millionen von DNA-Basen umgedreht und von einem Teil eines Chromosoms zu einem anderen verschoben wurden, und zwar unabhängig voneinander in Populationen von Stabheuschrecken auf verschiedenen Bergen.
Die Wissenschaftler untersuchten Timema cristinae-Insekten mit unterschiedlichen Farbmustern, die in zwei Bergen in der Nähe von Santa Barbara, Kalifornien, gesammelt wurden. Die flügellosen, pflanzenfressenden Insekten sind in unterschiedlicher Weise an zwei verschiedene Pflanzenarten in den küstennahen Chaparral-Lebensräumen angepasst. Die eine Stabheuschrecke ist grün, so dass sie mit dem kalifornischen Flieder verschmilzt, während die andere einen dünnen, weißen Streifen auf dem Rücken hat, der sie zwischen den nadelartigen Blättern des Kamillenstrauchs fast unentdeckbar macht.
Gompert und seine Kollegen konnten zeigen, dass dieser adaptive Unterschied im Farbmuster fast vollständig durch das Vorhandensein bzw. Fehlen dieser einzelnen komplexen Chromosomenumlagerungen erklärt werden kann.
"Die in dieser Studie eingesetzte neue Technologie zur phasenweisen Genomassemblierung hat uns entscheidend dabei geholfen zu untersuchen, wie sich das Farbmuster bei diesen Insekten entwickelt hat", sagt Gompert, Professor am Fachbereich Biologie der USU und am USU Ecology Center. "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass chromosomale Umlagerungen weiter verbreitet und komplexer sind, als wir bisher angenommen haben."
Er sagt, dass diese Mutationen, obwohl sie groß sind, mit herkömmlichen DNA-Sequenzierungsmethoden leicht zu übersehen sind.
"Chromosomenumlagerungen lassen sich mit Standardmethoden nur schwer nachweisen und charakterisieren", sagt Gompert. "Wir erforschen im Wesentlichen die 'dunkle Materie' des Genoms.
Strukturelle Variationen seien nicht selten, sondern könnten regelmäßig auftreten, um die Evolution voranzutreiben, sagt er.
"Wir kratzen gerade mal an der Oberfläche", sagt Gompert. "Uns fehlten bisher die Instrumente, um strukturelle Variationen zu erkennen, aber mit verbesserter Technologie vermuten wir, dass sie eine wichtigere Rolle in der Evolution spielen als bisher angenommen.
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