Die meisten Pflanzen und Tiere sind einer Vielzahl von Umweltschwankungen ausgesetzt. Eine Studie veröffentlicht im Tagebuch Natur und durchgeführt vom Team von Richard Benton, Professor am Zentrum für Integrative Genomik der Fakultät für Biologie und Medizin der Universität Lausanne, untersucht die Fähigkeit von Drosophila, sich an Schwankungen der Tageslänge anzupassen.
Arten mit einer weiten geografischen Verbreitung, wie zum Beispiel der Mensch, sind mit vielfältigen Umweltvariationen konfrontiert, die sie dank der Flexibilität oder („Plastizität“) ihres Verhaltens bewältigen. Diese Fähigkeit, sich an die Welt um sie herum anzupassen, ist entscheidend für ihr Überleben.
Allerdings sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer kaum verstanden. Daher ist es wichtig zu entschlüsseln, wie Verhaltensplastizität durch Gene und das Nervensystem reguliert wird, um zu verstehen, wie weit verbreitete Arten sich entwickelt haben, um mit Umweltveränderungen umzugehen, und wie sie sich an ein sich änderndes Klima anpassen werden.
Im Herzen des zirkadianen Zyklus
Die Tageslänge ist ein Faktor, der je nach Jahreszeit und Breitengrad schwankt. Viele Arten, wie zum Beispiel bestimmte Fliegen, passen ihren zirkadianen Rhythmus (täglichen Aktivitätszyklus) an diese Schwankungen der Tageslänge an.
In der Forschung verglich Michael Shahadeh, ein ehemaliger Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Richard Benton am Zentrum für Integrative Genomik der Fakultät für Biologie und Medizin der UNIL, zwei Drosophila-Arten, um Unterschiede in der Verhaltensflexibilität zu untersuchen.
Drosophila melanogaster, auch Essigfliege genannt, kommt auf der ganzen Welt vor, unterliegt daher großen Veränderungen in der Tageslänge und weist eine starke zirkadiane Plastizität auf. Im Gegensatz dazu unterliegt Drosophila sechellia, die auf den Seychellen, einer Region nahe dem Äquator, endemisch ist, deutlich geringeren Schwankungen in der Tageslänge und weist eine geringere Plastizität auf.
Um die zirkadiane Plastizität dieser beiden Arten zu vergleichen, setzten die Wissenschaftler sie einem aufgezwungenen zirkadianen Zyklus eines langen Tages aus: 16 Stunden Licht. Diese Einschränkung hatte schädliche Folgen für die Fitness (hier verstanden als Überlebens- und Fortpflanzungsfähigkeit) von D. sechellia, die an eine konstante Tageslänge von 12 Stunden gewöhnt ist.
„Diese Art hat ihre Fähigkeit verloren, ihre abendliche Spitzenaktivität im Falle einer längeren Photoperiode hinauszuzögern; lange Tage sind daher für sie stressig und ihre Reproduktionsrate hat sich halbiert, während D. melanogaster vollkommen fruchtbar geblieben ist“, kommentiert Benton .
Definition der kritischen genetischen Elemente
Mithilfe eines genetischen Screenings gelang es den Biologen dann, eine Schlüsselrolle des Pdf-Gens (Pigment-Dispersing Factor) bei dieser Divergenz zwischen den Arten zu entdecken.
„Dieses Gen ist für die Expression des Pdf-Neuropeptids verantwortlich, das für die zirkadiane Aktivität entscheidend ist. Wie erwartet verringerte der Ersatz des D. melanogaster-Gens durch das von D. sechellia die Fähigkeit von D. melanogaster, seine Spitzenaktivität bei langem Tageslicht zu verzögern.“ Bedingungen“, berichtet der in Lausanne ansässige Professor.
„D. melanogaster ist für uns wie ein ‚genetisches Reagenzglas‘. Dieses Experiment zeigte, dass die Unterschiede zwischen den Pdf-Genen von D. sechellia und D. melanogaster zu den Verhaltensunterschieden zwischen diesen beiden Arten beitragen.“
Die spezifischen Merkmale des Pdf-Gens von D. melanogaster erklären teilweise, warum sich diese Art weltweit weit verbreitet hat, während sich D. sechellia auf eine einzige Nische spezialisiert hat.
Erforschung anderer Formen der Verhaltensplastizität
Benton erwähnt auch frühere Forschungsergebnisse, die auf die Bedeutung des Pdf-Neuropeptids bei Drosophila-Arten hinweisen, die in höheren Breiten leben und eine noch größere Flexibilität in der zirkadianen Aktivität aufweisen als D. melanogaster.
„Diese Beobachtungen legen nahe, dass dieses Neuropeptid ein wichtiger evolutionärer Faktor bei der Entwicklung der zirkadianen Plastizität bei Drosophila ist. Da Pdf auch in vielen anderen Arthropoden, wie zum Beispiel Mücken, vorkommt, die auf der ganzen Welt weit verbreitet sind, könnte es eine ähnliche Rolle spielen.“ in letzterem.
„Generell könnte unsere Arbeit die Erforschung anderer Formen der Verhaltensplastizität anregen, die andere zelluläre und molekulare Mechanismen bei verschiedenen Tierarten einbeziehen. Beispielsweise ändern Singvögel ihre Stimmfrequenzen als Reaktion auf Lärm, der durch menschliche Aktivitäten verursacht wird, und Eidechsen ändern ihr Ruheverhalten.“ als Reaktion auf die Höhe, aber wir wissen nichts über die Mechanismen, die diesen Phänomenen zugrunde liegen.“
Weitere Informationen:
Michael P. Shahadeh et al.: Die zirkadiane Plastizität entwickelt sich durch regulatorische Veränderungen in einem Neuropeptid-Gen. Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08056-x