Die Funktion und Evolution eines genetischen Schalters, der die geschlechtsdimorphe Augendifferenzierung bei Honigbienen steuert

Bienenforscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Professor Dr. Martin Beye haben bei Honigbienen ein neues Gen identifiziert, das für die dimorphe Augendifferenzierung zwischen Männchen und Weibchen der Art verantwortlich ist. Dieses Gen und die daraus gezogenen evolutionsgenetischen Schlüsse haben die Forscher nun im Fachblatt vorgestellt Naturkommunikation.

Unterschiede zwischen Männchen und Weibchen sind in tierischen Organismen sehr häufig. Sie beschränken sich nicht nur auf die morphologische Differenzierung, dh Unterschiede in Form und Struktur der Tiere, sondern betreffen auch Physiologie und Verhalten. Dies gilt gleichermaßen für Wirbellose und Wirbeltiere. Dieser „sexuelle Dimorphismus“ trägt zur biologischen Vielfalt der Organismen bei, beispielsweise durch das bunte Gefieder und die Schwänze männlicher Pfauen oder die Färbung von Tagfaltern.

Unser Wissen über die Entwicklungs- und Evolutionsmechanismen, die diesen Dimorphismus steuern, ist jedoch noch begrenzt. In genetischen Modellorganismen wurde ein Entwicklungsregulatorgen, das „dsx-Gen“, identifiziert. Aber dieses Gen allein kann keinen sexuellen Dimorphismus in anderen Organismen spezifizieren. Weiterhin war unbekannt, wie im Laufe der Evolution eine geschlechtsspezifische Entwicklungsfunktion entstanden ist, da der Vorteil des einen Geschlechts einen Nachteil des anderen Geschlechts erzeugt.

Das Spezialgebiet der Arbeitsgruppe um Professor Martin Beye vom Institut für Evolutionäre Genetik der HHU ist die Honigbiene (Apis mellifera), die einen ausgeprägten Dimorphismus in den Augen von Männchen und Weibchen aufweist: Männchen haben extrem große Facettenaugen, die sie befähigen um die Königin während der Paarungsflüge zu lokalisieren. Die Weibchen haben kleine Facettenaugen, die aber zur Orientierung und Blütensuche ausreichen.

Zusammen mit Kollegen von der Universität Wageningen in den Niederlanden untersuchten Professor Beye und sein Team das gesamte Genom der Biene auf mögliche geschlechtsspezifische Entwicklungsregulatorgene und identifizierten das sogenannte „Glubschauge-Gen“.

Dieses Gen reguliert die geschlechtsspezifische Augenmorphologie. Die Forscher gingen wie folgt vor: Mit der CRISPR/Cas9-Methode schalteten sie das Gen bei Weibchen aus, was dazu führte, dass die Tiere die Augenform der Männchen der Art entwickelten. Umgekehrt fügten sie das Gen den Männchen hinzu, was dazu führte, dass sie Augen wie die Weibchen entwickelten. Dabei identifizierten sie ein neues Entwicklungsgen, das im Laufe der Evolution entstanden ist und auch als „Transkriptionsfaktor“ bezeichnet wird.

Prof. Beye: „Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, wie die Diversität der sekundären Geschlechtsmerkmale während der Entwicklung reguliert werden kann. Wir konnten folgendes Prinzip aufzeigen: Verwenden Sie für jedes Merkmal ein eigenes genetisches Instruktionsprogramm. Es gibt keine generelle Instruktion für den Organismus als ganz in den Bienen.“

Die Forscher interessierten sich auch für die Evolutionsgeschichte des „Glubschauge-Gens“: Wie kam dieses Gen zu seiner geschlechtsbestimmenden Funktion? Professor Beye sagt: „Unsere Ergebnisse lösen ein langjähriges Rätsel der Evolutionsbiologie. Bislang konnten keine Fälle gefunden werden, in denen der positive Effekt in der Evolution eines Geschlechtsmerkmals nicht zu einem Nachteil beim anderen Geschlecht führt. Wir sind jetzt in der Lage.“ um zu zeigen, wie das funktionieren kann.“

Mittels evolutionärer Sequenzanalysen stellte das Forscherteam fest, dass diese geschlechtsspezifische Funktion erst während der Evolution der Hautflügler entstanden ist. Sie fanden heraus, dass sich zuerst die geschlechtsspezifische Ausprägung neu entwickelte, während die Entwicklungsfunktion erst später entstand. „Die anfängliche geschlechtsspezifische Regulation begrenzt die spätere Entwicklungsveränderung auf nur ein Geschlecht. Wir haben also einen molekularen Weg aufgezeigt, durch den Geschlechtsdimorphismus evolutionär entstehen kann“, sagt Beye.