Genomstudien geben Aufschluss über die Herkunft des Bienengifts

Bienen, Wespen und Ameisen gehören zur Ordnung der Hautflügler und injizieren beim Stechen einen ganzen Cocktail giftiger Inhaltsstoffe. Trotz ihrer enormen ökologischen und wirtschaftlichen Bedeutung war bisher wenig über die Herkunft ihres Giftes bekannt.

Durch umfangreiche genomische Studien hat ein Forscherteam um Dr. Björn von Reumont von der Goethe-Universität Frankfurt nun entdeckt dass typische giftige Bestandteile bereits bei den frühesten Vorfahren der Hautflügler vorhanden waren und sich daher vor den Stacheln von Bienen und anderen Insekten entwickelt haben müssen. Darüber hinaus kommt das Gen für das Gift Melittin entgegen bisheriger Annahmen ausschließlich in Bienen vor. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht BMC-Biologie.

Gifte haben sich in vielen Tiergruppen unabhängig voneinander entwickelt. Eine Gruppe mit vielen giftigen Arten sind die Hymenoptera, eine Insektenordnung, zu der auch Aculeata (stechende Insekten) wie Bienen, Wespen und Ameisen gehören. Hymenoptera ist mit über 6.000 Bienenarten allein sehr artenreich. Und doch ist trotz der großen ökologischen und wirtschaftlichen Bedeutung der Hautflügler nur sehr wenig über die evolutionäre Entwicklung ihrer Gifte bekannt.

Mittels vergleichender Genomik haben Forscher um Dr. Björn von Reumont, derzeit Gastwissenschaftler in der Arbeitsgruppe Angewandte Bioinformatik am Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt, nun erstmals systematisch untersucht, wie Die wichtigsten Bestandteile des Giftes von Bienen und anderen Hautflüglern haben sich im Laufe der Evolution entwickelt.

Die Toxine sind komplexe Gemische aus kleinen Proteinen (Peptiden) und einigen großen Proteinen und Enzymen. Stechende Insekten injizieren diesen Giftcocktail mit Hilfe eines speziellen Stechapparates aktiv in ihre Beute oder Angreifer.

Zunächst identifizierten die Forscher, welche der Peptide und Proteine ​​im Gift bei Hautflüglern am häufigsten vorkommen. Dazu griffen sie auf Informationen aus Proteindatenbanken zurück, die jedoch spärlich waren. Als nächstes analysierten sie die Proteine ​​im Gift zweier Wildbienenarten – der violetten Zimmermannsbiene (Xylocopa violacea) und der Ringelbiene (Halictus scabiosae) – sowie der Honigbiene (Apis mellifera).

Sie fanden in allen analysierten Hymenopterengiften die gleichen 12 „Familien“ von Peptiden und Proteinen. Diese sind offensichtlich eine „häufige Zutat“ in diesen Giftcocktails.

In Zusammenarbeit mit Kollegen des Leibniz-Instituts zur Analyse des Biodiversitätswandels (LIB), der Technischen Universität München (TUM) und des LOEWE-Zentrums für Translationale Biodiversitätsgenomik (LOEWE TBG) suchte das Forschungsteam anschließend nach den Genen dieser 12 Peptid- und Proteinfamilien im Genom von 32 Hautflügler-Taxa, darunter Schweißbienen und stachellose Bienen, aber auch Wespen und Ameisen wie die berüchtigte Feuerameise (Solenopsis invicta).

Die Unterschiede in diesen Genen, in einigen Fällen nur der Austausch einzelner Buchstaben des genetischen Codes, halfen den Wissenschaftlern, die Verwandtschaft zwischen den Genen verschiedener Arten zu bestimmen und später – mithilfe künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen – eine Abstammungslinie zu erstellen der Giftgene.

Das überraschende Ergebnis war, dass viele der analysierten Giftgene in allen Hautflüglern vorhanden sind. Offensichtlich besaß bereits der gemeinsame Vorfahr aller Hymenopteren-Taxa diese Gene. „Das macht es sehr wahrscheinlich, dass Hautflügler als ganze Gruppe giftig sind“, sagte von Reumont.

„Bei anderen Gruppen wie Toxicofera, zu denen Schlangen, Anguiden (Eidechsen) und Leguane gehören, diskutiert die Wissenschaft immer noch darüber, ob die Gifte auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgeführt werden können oder ob sie sich getrennt entwickelt haben.“

Innerhalb der Hymenoptera haben nur die stechenden Insekten – Bienen, Wespen und Ameisen – einen echten Stachel, um das Gift zu verabreichen. Im Gegensatz dazu injizieren die evolutionär alten parasitischen Blattwespen mit ihrem Legebohrer zusammen mit ihren Eiern Substanzen, die die Physiologie ihrer Wirtspflanze verändern. Die Sirex-Waldwespe (Sirex noctilio) beispielsweise schleust nicht nur einen Pilz in die Pflanze ein, der die Besiedlung des Holzes durch ihre Larven erleichtert, sondern auch einen eigenen Giftcocktail mit den in der Studie untersuchten Giftproteinen.

Der Zweck dieser Proteine ​​besteht darin, in der Pflanze geeignete Bedingungen für die Larven zu schaffen. „Damit kann auch die Waldwespe Sirex als giftig eingestuft werden“, sagte von Reumont.

Neue Giftbestandteile bei Bienen sind das Gen für das Peptid Melittin und Gene für Vertreter der neu beschriebenen Proteinfamilie Anthophilin-1. Dass Melittin nur von einem einzigen Gen kodiert wird, überraschte die Forscher, wie von Reumont erklärt: „Es gibt nicht nur viele verschiedene Varianten von Melittin, sondern das Peptid macht auch bis zu 60 % des Trockengewichts von Melittin aus.“ Bienengift. Deshalb ging die Wissenschaft bisher davon aus, dass es viele Genkopien geben muss. Das konnten wir ganz klar widerlegen.“

Da sie das Melittin-Gen nur bei Bienen fanden, widerlegten die Forscher auch die Hypothese, dass es zu einer Gruppe von Giftgenen gehört, die für stechende Insekten postuliert wurden und Aculeatoxine genannt werden. Von Reumont sagte: „Dies zeigt uns einmal mehr, dass Genomdaten die einzige Möglichkeit sind, sinnvolle Rückschlüsse auf die Evolution von Giftgenen zu ziehen.“

Die Frankfurter Studie zeigt erstmals für eine ganze Insektengruppe mit rund einer Million Arten, wo Giftgene entstanden sind und wie sie sich entwickelt haben. Es bietet einen Ausgangspunkt für die Nachverfolgung der Entwicklung der Giftgene bei den Vorfahren der Hymenopteren sowie der Spezialisierungen innerhalb der Gruppe. Um jedoch vergleichende Genomik im großen Maßstab durchführen zu können, müssen Analysemethoden für die teilweise sehr großen Proteinfamilien zunächst automatisiert werden.