Motten könnten mithilfe des Disco-Gens Tag-Nacht-Rhythmus regulieren

Wie werden aus einer Art zwei? Für Biologen ist das eine heikle Frage. Allgemein herrscht Einigkeit darüber, dass der Prozess der Artbildung in den meisten Fällen dann stattfindet, wenn Individuen einer einzigen Population geographisch isoliert werden. Bleiben sie lange genug getrennt, verlieren sie die Fähigkeit zur Fortpflanzung.

Eine neue Studie veröffentlicht im Journal Proceedings of the Royal Society B: Biowissenschaften zeigt, was passiert, wenn eine weniger verbreitete Form der Artbildung auftritt. Anstatt durch eine physische Barriere wie eine Bergkette oder ein Meer getrennt zu sein, können sich die Mitglieder einer Art im Laufe der Zeit voneinander trennen.

Die Forscher konzentrierten sich auf zwei eng verwandte Mottenarten mit überlappenden Verbreitungsgebieten im Südosten der USA.

„Diese beiden sind sich sehr ähnlich“, sagte der Hauptautor Yash Sondhi, der während seiner Arbeit an der Florida International University und später am Florida Museum of Natural History für die Studie forschte. „Sie haben sich entlang dieser einen Achse differenziert, nämlich wenn sie fliegen.“

Rosige Ahornspinner der Gattung Dryocampa sehen aus wie das, was Roald Dahl aus einem Fiebertraum gemalt hätte. Sie tragen eine dicke Löwenmähne über Kopf und Hinterleib und ihre leuchtenden Schuppen haben die Farbe von Erdbeer- und Bananenbonbons. Sowohl männliche als auch weibliche Rosigenspinner fliegen ausschließlich nachts.

Rosa gestreifte Eichenspinner der Gattung Anisota sind weniger auffällig und weisen dezente Ocker-, Umbra- und Mergeltöne auf. Während die Weibchen dieser Art in der Dämmerung und am frühen Abend aktiv sind, fliegen die Männchen lieber tagsüber.

Sondhi wusste aus früheren Untersuchungen, dass diese beiden Gruppen, Dryocampa und Anisota, vor etwa 3,8 Millionen Jahren aus einer einzigen Art entstanden, was auf evolutionärer Zeitskala relativ neu ist. Es gibt eine Handvoll Arten in der Gattung Anisota, die alle tagsüber aktiv sind. Die nachtaktiven Ahornspinner sind die einzigen Arten in der Gattung Dryocampa.

Sondhi ist auf die Biologie des Insektensehens spezialisiert und sah in dem Mottenpaar die perfekte Gelegenheit zu erforschen, wie sich das Sehvermögen entwickelt, wenn eine Art ihr Aktivitätsmuster ändert.

Doch die Dinge liefen nicht wie geplant.

„Ich habe nach Unterschieden im Farbsehen gesucht. Stattdessen fanden wir Unterschiede in ihren Uhr-Genen, was im Nachhinein Sinn macht“, sagte Sondhi.

Uhrengene steuern den circadianen Rhythmus von Pflanzen und Tieren. Das Auf und Ab der von ihnen erzeugten Proteine ​​führt dazu, dass Zellen über einen Zeitraum von etwa 24 Stunden entweder aktiv oder inaktiv werden. Sie beeinflussen alles vom Stoffwechsel und Zellwachstum bis hin zu Blutdruck und Körpertemperatur.

Bei jedem Organismus, der sein Aktivitätsmuster umkehrt, sind mit ziemlicher Sicherheit Uhrgene beteiligt. „Es ist ein System, das bei allen Lebewesen von Fruchtfliegen bis zu Säugetieren und Pflanzen erhalten geblieben ist. Sie alle haben eine Art Zeitmessmechanismus“, sagte er.

Sondhi verglich die Transkriptome der beiden Motten. Im Gegensatz zu Genomen, die die gesamte DNA eines Organismus enthalten, enthalten Transkriptome nur die Teilmenge des genetischen Materials, die aktiv zur Herstellung von Proteinen verwendet wird. Dies macht sie nützlich, um Unterschiede im Proteinspiegel im Tagesverlauf zu untersuchen.

Wie erwartet fand Sondhi eine Reihe von Genen, die bei den beiden Mottenarten in unterschiedlicher Menge exprimiert wurden. Nachtaktive Ahornspinner investierten mehr Energie in ihren Geruchssinn, während die tagaktive Eichenwurmmotte mehr Gene produzierte, die mit dem Sehsinn in Zusammenhang stehen.

Es gab jedoch keine Unterschiede in den Genen, die die Fähigkeit zum Farbsehen verleihen. Das bedeutet nicht unbedingt, dass ihr Farbsehen identisch ist, aber wenn es Unterschiede gibt, liegen diese wahrscheinlich auf der Ebene der Abstimmung und Empfindlichkeit und nicht in der Struktur der Gene selbst.

Es gab noch ein weiteres Gen, das auffiel. Disconnected oder Disco wurde bei beiden Arten tagsüber und nachts in unterschiedlichem Ausmaß exprimiert. Bei Fruchtfliegen ist bekannt, dass Disco indirekt die circadianen Rhythmen beeinflusst, indem es Neuronen produziert, die Taktgeberenzyme vom Gehirn an den Körper übertragen.

Das Disco-Gen, das Sondhi in seinen Mottenproben fand, war doppelt so groß wie sein Gegenstück bei der Fruchtfliege und hatte zusätzliche Zinkfinger – aktive Teile eines Gens, das direkt mit DNA, RNA und Proteinen interagiert. Es schien wahrscheinlich, dass Veränderungen im Disco-Gen zumindest teilweise für die Umstellung auf Nachtflug bei Ahornspinnern verantwortlich waren.

Als er das Disco-Gen des Ahornspinners mit dem des Eichenspinners verglich, fand er 23 Mutationen, die die beiden Arten voneinander unterschieden. Die Mutationen befanden sich außerdem in aktiven Teilen des Gens, was bedeutet, dass sie wahrscheinlich zu erkennbaren körperlichen Unterschieden zwischen den Spinnern beitragen. Sondhi beobachtete die Evolution in Aktion.

„Wenn dies funktionell bestätigt wird, ist dies ein wirklich konkretes Beispiel für den Mechanismus hinter der Artbildung auf molekularer Ebene, wie man es nur selten findet“, sagte er.

Die Studie ist auch ein wichtiger Anstoß für ein besseres Verständnis der verschiedenen Arten, wie sich das Leben erhält und fortpflanzt. Als die Genetik erstmals als Forschungsgebiet ins Blickfeld der Forschung gerückt wurde, konzentrierten sich die Forscher hauptsächlich auf einige repräsentative Arten wie Fruchtfliegen oder Labormäuse. Dies geschah in erster Linie aus Zweckmäßigkeitsgründen, begrenzt aber unser Wissen über allgemeine biologische Muster. So wie ein Mensch keine Labormaus ist, ist eine Motte keine Fruchtfliege.

„Da die Artenvielfalt aufgrund des Klimawandels und anderer anthropogener Veränderungen weiter zurückgeht, müssen wir eine größere Zahl der verbliebenen Arten genetisch so verändern, dass sie beispielsweise Dürre vertragen oder in lichtverschmutzten Regimen aktiv sind. Um dies konsequent zu erreichen, ist ein breiterer Pool funktionell charakterisierter Gene aller Organismen von entscheidender Bedeutung. Wir können nicht nur Drosophila verwenden“, sagte Sondhi.