Menschliches Handeln verändert die Umwelt in einem beispiellosen Tempo. Pflanzen- und Tierpopulationen müssen versuchen, mit diesen vom Menschen beschleunigten Veränderungen Schritt zu halten, oft indem sie versuchen, schnell Toleranz gegenüber sich ändernden Bedingungen zu entwickeln.
Die Forscher der University of Oklahoma, Lawrence Weider, Professor für Biologie, und Matthew Wersebe, ein Doktorand der Biologie, haben eine schnelle Evolution in Aktion demonstriert, indem sie die Genome einer Population von Daphnia pulicaria, einem aquatischen Krebstier, aus einem verschmutzten See sequenziert haben.
Die Forschung, die im Rahmen von Wersebes Doktorarbeit durchgeführt wurde, wurde kürzlich in der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences. Wersebe und Weider haben jahrzehntealte Daphnia-Ruheeier aus Seesedimenten wiederbelebt, eine Methode, die als Auferstehungsökologie bekannt ist und in Weiders Labor in den letzten Jahrzehnten verfeinert wurde. Anschließend sequenzierten sie die gesamten Genome von 54 verschiedenen Daphnia-Individuen zu verschiedenen Zeitpunkten, was es ihnen ermöglichte, die Genetik und Evolution der Population zu untersuchen.
Die Daphnien wurden am Tanners Lake in Oakdale, Minnesota, gesammelt. Tanners Lake hat eine erhebliche Salzverschmutzung erlitten, die auf die weit verbreitete Verwendung von Straßenenteisungssalzen in seinem Einzugsgebiet zurückzuführen ist.
Daphnien, auch bekannt als Wasserflöhe, spielen eine entscheidende Rolle bei der Umweltüberwachung. Beispielsweise dienen sie aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber vielen Umweltstressoren wie Chemikalien seit über einem Jahrhundert als wichtige Testorganismen in Labors auf der ganzen Welt. In der Natur fungieren Daphnien weltweit als Schlüsselart in Süßwasser-Nahrungsnetzen, wo sie sich von Algen ernähren, um das Wasser von Seen und Stauseen sauber zu halten, und als Nahrung für Freizeitfische und kommerziell wichtige Fischarten dienen.
Die Ergebnisse von Wersebe und Weider deuten darauf hin, dass eine schnelle Anpassung an die Salzverschmutzung es dem Daphniensee ermöglichen kann, angesichts der anthropogenen Versalzung bestehen zu bleiben und die Nahrungsnetze und Ökosystemleistungen aufrechtzuerhalten, die Daphnien unterstützen. Die Anpassungsfähigkeit dieser Populationen hängt jedoch von der Geschwindigkeit ab, mit der diese Veränderungen stattfinden, und von der zugrunde liegenden genetischen Ausstattung der betroffenen Populationen.
In den letzten Jahren haben viele Forscher Ergebnisse veröffentlicht, die den Umfang und das Ausmaß der Versalzung von Seen definieren, und neuere Forschungen haben die ökologischen Auswirkungen hervorgehoben. Bis heute sind die evolutionären Implikationen jedoch nicht gut bekannt. Durch ihre Studie berichteten Wersebe und Weider über Signaturen der natürlichen Selektion im gesamten Genom in der Nähe von Genen, die mit Osmoregulation und Ionenregulation zusammenhängen, Schlüsselprozessen für den Umgang mit hohem Salzgehalt. Die Charakterisierung von Klonen auf Salzgehaltstoleranz ergab Hinweise darauf, dass genetische Veränderungen einer schnellen Evolution zugrunde liegen könnten.
„Arbeiten wie diese sind der erste Schritt bei der Gestaltung zukünftiger Studien, die aktuelle technologische Fortschritte wie die CRISPR-Geneditierung einbeziehen, die die Erstellung umfassender Genotyp-zu-Phänotyp-Karten ermöglichen und die Rolle vorhersagen, die genetische Variation bei der Schaffung verschiedener Formen und Funktionen spielt.“ sagte Wersebe. „Tatsächlich haben wir ein vielversprechendes Gen gefunden, das bei älteren Daphnien nicht richtig zu funktionieren scheint, aber eine funktionsfähige Kopie des Gens wird immer häufiger – wahre Evolution in Aktion.“
Zukünftige Forschung unter Verwendung dieser fortschrittlichen Technologien zum Ausschneiden und Einfügen des nicht funktionierenden Gens in Daphnien wäre eine Möglichkeit, die Auswirkungen von Mutationen auf komplexe phänotypische Merkmale wie die Salztoleranz besser zu untersuchen.
Mehr Informationen:
Matthew J. Wersebe et al., Resurrection Genomics liefert molekulare und phänotypische Beweise für eine schnelle Anpassung an die Versalzung bei einer aquatischen Schlüsselart. Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2217276120