Einige Ruderfußkrebse, winzige Krebstiere mit einem übergroßen Platz im aquatischen Nahrungsnetz, können sich schnell genug entwickeln, um angesichts des raschen Klimawandels zu überleben, laut neuen Forschungsergebnissen, die sich mit einer seit langem bestehenden Frage auf dem Gebiet der Genetik befassen.
Kaum mehr als einen Millimeter lang, der Ruderfußkrebs Eurytemora affinis paddelt in großer Zahl durch die Küstengewässer der Ozeane und Flussmündungen auf der ganzen Welt – meist gefressen von Jungfischen wie Lachs, Hering und Sardelle.
„Dies ist eine dominante Küstenart, die als sehr reichhaltiges und sehr nahrhaftes Fischfutter dient“, sagt Carol Eunmi Lee, Professorin am Department of Integrative Biology der University of Wisconsin-Madison und leitende Autorin einer neuen Studie über Ruderfußkrebse, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikation. „Aber sie sind anfällig für den Klimawandel.“
Der Salzgehalt der Ozeane, erklärt Lee, ändert sich schnell, wenn das Eis schmilzt und sich die Niederschlagsmuster ändern: „Diese Ruderfußkrebse sind eine Salzwasserart, die sich jetzt an viel frischeres Wasser in ihrer Umgebung anpassen muss.“
Viele Ruderfußkrebse (und unzählige andere Tiere) haben sich in Salzwasser entwickelt. Wenn sich ihre Umgebung verändert, müssen sie sich anpassen, um ihre Körperchemie aufrechtzuerhalten … oder sie sterben ab.
„Der Salzgehalt ist eine sehr starke Umweltbelastung in aquatischen Lebensräumen“, sagt David Stern, Hauptautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand in Lees Labor, der jetzt am National Biodefense Analysis and Countermeasures Center arbeitet.
Lee, Stern und der Rest des Forschungsteams untersuchten, wie einige Ruderfußkrebse auf diesen Druck reagierten. Sie hielten eine Bevölkerung von Eurytemora affinis aus der Ostsee in ihrem Labor – die kleinen Krebstiere, die in Wasser schwimmen, das genauso salzig ist wie ihr Heimatgebiet, und sich über mehrere Generationen fortpflanzen.
Die Forscher teilten die Copepoden dann in 14 Gruppen von jeweils einigen Tausend auf. Vier Kontrollgruppen durchlebten das Experiment in der Umgebung wie der Ostsee. Die anderen 10 Gruppen waren sinkenden Salzgehalten ausgesetzt, was die Art von Druck nachahmt, der durch den Klimawandel verursacht wird. Bei jeder neuen Generation (ungefähr drei Wochen für diesen Ruderfußkrebs) wurde das Wasser für insgesamt zehn Generationen auf einen niedrigeren Salzgehalt reduziert.
Als nächstes sequenzierten die Forscher die Genome jeder Linie von Copepoden zu Beginn ihres Experiments und erneut nach sechs Generationen und 10 Generationen, um evolutionäre Veränderungen über ihre Genome hinweg zu verfolgen. Die stärksten Signale der natürlichen Selektion – wo die Veränderungen am größten und am häufigsten in den Gruppen waren, die durch den sinkenden Salzgehalt gestresst waren – waren an Teilen des Genoms, von denen angenommen wurde, dass sie wichtig für die Regulierung von Ionen sind, wie z. B. Natriumtransporter.
„In Salzwasser gibt es viele Ionen, wie Natrium, die für das Überleben unerlässlich sind. Aber wenn man ins Süßwasser kommt, sind diese Ionen kostbar“, sagt Lee. „Die Ruderfußkrebse müssen sie also aus der Umgebung aufsaugen und an ihnen festhalten, und die Fähigkeit dazu hängt von diesen Ionentransportern ab, die wir bei der natürlichen Selektion gefunden haben.“
Am Ende des Experiments stellten die Forscher fest, dass Copepoden mit bestimmten genetischen Kombinationen des Ionentransporters wiederholt mit größerer Wahrscheinlichkeit aufeinanderfolgende Generationen überlebten, selbst wenn der Salzgehalt ihres Wassers abnahm. Tatsächlich sind die gleichen Genvarianten oder Allele, die in den Ruderfußkrebsen gefunden wurden, die den Rückgang des Salzgehalts im Labor überstanden haben, auch in den frischeren Regionen der Ostsee verbreitet.
„Bei der Anzahl an Genen, die die Merkmale unserer Ruderfußkrebse codieren, würden wir auf keinen Fall erkennen, wie viel Parallelität wir erreicht haben, es sei denn, etwas würde sie antreiben“, sagt Stern.
Das Evolutionsexperiment ist ein neuer Beweis für einen genetischen Mechanismus namens positive Epistase, bei dem die positive Wirkung einer Variante eines Gens verstärkt wird, wenn sie mit anderen Schlüsselgenen zusammenarbeitet. Es ist eine Theorie, die der legendäre UW-Madison-Genetikprofessor Sewall Wright und andere vor fast einem Jahrhundert als Kontrapunkt zur additiven Evolution verfochten haben, die Idee, dass die Wirkung jedes einzelnen Gens das gleiche Gewicht hat und sich die Wirkungen vieler Gene linear addieren Mode.
„Computersimulationen der Evolution unter unseren experimentellen Bedingungen sagen voraus, dass die additive Evolution uns eine viel größere Variation zwischen unseren 10 Linien gegeben hätte“, fügt Stern hinzu. „Wir haben diese Art von Variation nicht gesehen.“
Epistasis war aus Mangel an experimentellen Werkzeugen weitgehend ungetestet geblieben, aber die großen Mengen an Genomdaten aus modernen Sequenzierungs- und Computersimulationen ermöglichten es, positive Epistasis bei der Arbeit in der parallelen Evolution zu zeigen und die Macht der Genetik für die Untersuchung des Klimawandels zu beschreiben. Stern, Lee und Kollegen zeigen in der neuen Studie, dass eine positive Epistase die parallele Evolution von Tiergruppen vorantreiben kann, indem durch natürliche Selektion wiederholt Allelgruppen bevorzugt werden.
„Dieser Ruderfußkrebs gibt uns eine Vorstellung davon, was nötig ist, eine Vorstellung davon, welche Bedingungen erforderlich sind, damit sich eine Population als Reaktion auf den Klimawandel schnell entwickeln kann“, sagt Lee. „Es zeigt auch, wie wichtig die Evolution für das Verständnis unseres sich verändernden Planeten ist und wie – oder sogar ob – Populationen und Ökosysteme überleben werden.“
David B. Stern et al, Genomweite Signaturen synergistischer Epistase während paralleler Adaptation in einem Copepoden der Ostsee, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31622-8