Ein Weg zur Schädlingsbekämpfung

Das Geschlecht und die Geschlechtsmerkmale stellen Schlüsselaspekte des Lebens eines Organismus dar und werden durch einen biologischen Prozess bestimmt, der als Geschlechtsbestimmung bekannt ist. Diese sich ständig weiterentwickelnden Mechanismen werden grob nach der Art des „Schalters“ klassifiziert, der sie auslöst. Die genetische Geschlechtsbestimmung hängt von Geschlechtschromosomen ab, wie den X- und Y-Chromosomen beim Menschen, während die Geschlechtsbestimmung in der Umwelt von Faktoren wie der Temperatur und dem lokalen Verhältnis zwischen Männern und Frauen abhängt. Obwohl die meisten Geschlechtsbestimmungsmechanismen genetisch oder umweltbedingt sind, gibt es auch eine dritte Art der Geschlechtsbestimmung, die von völlig zufälligen Faktoren abhängt. Dies ist jedoch noch nicht vollständig erforscht.

Der Mechanismus der Geschlechtsbestimmung von Caenorhabditis elegans, einer Nematodenart oder unserer gewöhnlichen Gartenspulwurmart, ist einer der am besten verstandenen Aspekte seiner Biologie. In diesem Fall entwickeln sich Embryonen mit zwei X-Chromosomen oder die XX-Embryonen zu Hermaphroditen, während sich die XO-Embryonen, die ein Geschlechtschromosom – das X-Chromosom – haben, zu Männern entwickeln. Mehrere Arten von Nematoden haben einen ähnlichen Geschlechtsbestimmungsmechanismus wie C. elegans. Interessanterweise verlassen sich einige Nematodenarten jedoch auch auf das XX/XY-System zur Geschlechtsbestimmung, mit sowohl X- als auch Y-Typen von Geschlechtschromosomen, sowie auf Umweltfaktoren. Leider sind die Mechanismen, die diese Unterschiede in der Geschlechtsbestimmung zwischen Nematodenarten verursachen, bisher ein Rätsel geblieben.

Kürzlich führte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Associate Professor Ryoji Shinya von der Meiji University, Japan, Professor Paul Sternberg vom California Institute of Technology, USA, und Associate Professor Taisei Kikuchi von der University of Miyazaki, Japan, eine Studie zum Verständnis der Geschlechtsbestimmung durch in zwei Nematodenarten – Bursaphelenchus xylophilus und Bursaphelenchus okinawaensis. Das Team von Dr. Shinya beschäftigt sich seit langem mit der Nematodenforschung. In dieser neuen Studie führten sie eine geschlechtsspezifische genomweite Vergleichsanalyse durch, um den anfänglichen Auslöser der Geschlechtsbestimmung bei den beiden Bursaphelenchus-Arten zu bestimmen, und ein genetisches Screening, um die genetische Kaskade zu bestimmen, die dem Auslöser folgte.

In ihrer Studie veröffentlicht in Naturkommunikationberichten die Forscher, dass es keinen Unterschied in der Anzahl der Chromosomen oder des Genoms zwischen Männchen und Weibchen bei B. xylophilus und zwischen Männchen und Hermaphroditen bei B. okinawaensis gibt. Dies deutet darauf hin, dass diese Geschlechter in beiden Nematodenarten identische Genome und keine Geschlechtschromosomen haben. Daher muss die Geschlechtsbestimmung bei diesen Arten durch nicht-genetische Mechanismen erfolgen.

Um dies weiter zu untersuchen, führte das Team eine Analyse durch, um herauszufinden, ob Umweltfaktoren wie Temperatur, Nährstoffverfügbarkeit und Populationsdichte die Geschlechtsbestimmung bei diesen Organismen beeinflussen. Sie beobachteten, dass diese Faktoren bei den Larven dieser Arten einen minimalen Einfluss auf die Geschlechtsbestimmung hatten und dass sich keine der Larven in Männchen verwandelte.

In Anbetracht der Tatsache, dass die durch Selbstbefruchtung in B. okinawaensis erzeugten Nachkommen im Wesentlichen isogene Klone sind, ist es klar, dass genetische Unterschiede für die Geschlechtsbestimmung in B. okinawaensis nicht erforderlich sind. Darüber hinaus differenzieren genetisch identische Individuen von B. okinawaensis selbst unter festgelegten Umweltbedingungen in Hermaphroditen und Männchen. Das Team vermutet, dass das Geschlecht von B. okinawaensis-Nematoden hauptsächlich durch die stochastische Expression eines unbekannten Triggergens und/oder Entwicklungsrauschen bestimmt wird. Mit anderen Worten, die Geschlechtsdifferenzierung erfolgt als Ergebnis zufälliger Ereignisse während der Entwicklung.

Das Team verglich auch die Orthologe, dh durch gemeinsame Abstammung verwandte Gene, ähnlicher Sequenzen in C. elegans, B. xylophilus und B. okinawaensis. Sie fanden heraus, dass nur nachgeschaltete Gene in diesen drei Nematoden konserviert waren, was darauf hindeutet, dass die Gattung Bursaphelenchus einen anderen Auslöser für die Geschlechtsbestimmung hat als C. elegans. Darüber hinaus führten sie genetische Analysen durch und identifizierten einen wichtigen geschlechtsbestimmenden Locus in B. okinawaensis, bekannt als Bok-tra-1a. Mithilfe von Bioinformatik und RNA-Sequenzierung beobachteten sie eine Konservierung mutmaßlicher Ziele in diesem regulierenden Gen, was die Ergebnisse weiter stützt, die auf die Konservierung nachgeschalteter Funktionen hindeuten. Dies impliziert, dass sich die Geschlechtsdifferenzierung der Nematoden aus diesem nachgeschalteten Regulator entwickelt haben könnte.

„Unsere Entdeckung einer auffallenden neuen Art der Geschlechtsbestimmung im Stamm der Nematoden könnte nicht nur bei Laborstudien parasitärer Nematoden hilfreich sein, sondern auch zum Populations-Engineering beitragen“, bemerkte Dr. Shinya aufgeregt.

Dr. Shinya weist auf die Bedeutung dieser Erkenntnisse für die Schädlingsbekämpfung hin: „Schäden, die durch pflanzenparasitäre Nematoden verursacht werden, werden auf 80 Milliarden USD pro Jahr geschätzt. Herkömmliche Nematizide sind schädlich für die Umwelt helfen bei der Entwicklung steriler Stämme, die nicht parasitär sind, aber dazu beitragen können, Nematodenpopulationen auf sichere und nachhaltige Weise zu reduzieren.“

Bereitgestellt von der Meiji-Universität