Studie zeigt, dass männliche Gene nach dem Verlust der Männchen bei Stabheuschrecken erhalten bleiben

Eigenschaften gehen im Laufe der Evolution oft verloren, entweder weil sie nicht mehr nützlich sind oder weil ihre Erhaltung zu kostspielig ist. Wenn dies geschieht, geht man im Allgemeinen davon aus, dass die der Eigenschaft zugrunde liegenden Gene schließlich ebenfalls abgebaut werden, wodurch es schwierig oder sogar unmöglich wird, dass die Eigenschaft wieder auftaucht. Dennoch gibt es in der Natur zahlreiche Beispiele dafür, dass einst verlorene Eigenschaften in Nachkommenlinien wieder auftauchen.

Laut Giobbe Forni, einem Forschungsstipendiaten der Universität Bologna, „weist die Zuordnung des Vorhandenseins und Fehlens von Merkmalen zu einem Artenstammbaum darauf hin, dass einige Merkmale in den Abstammungslinien, die zu den heute lebenden Arten führen, verloren gegangen sein könnten und später wiederhergestellt wurden. Die Flügel der Stabheuschrecken gelten als eines der ikonischeren Beispiele dieses Evolutionsprozesses.“

Dies lässt darauf schließen, dass die Gene, die diesen Merkmalen zugrunde liegen, in manchen Fällen über Millionen von Jahren erhalten bleiben. Leider gibt es nur wenig Forschung über die molekularen Grundlagen eines solchen Wiederauftretens, sodass die zugrunde liegenden Mechanismen, die für eine solche Erhaltung verantwortlich sind, bis jetzt weitgehend Spekulationen vorbehalten sind.

In einem neue Studie veröffentlicht In Genombiologie und EvolutionForni und seine Kollegen haben ein weiteres komplexes Merkmal aufgeklärt, das bei einigen Stabheuschrecken verloren gegangen ist: die Produktion von Männchen.

Der Verlust der Fähigkeit, Männchen zu produzieren, führt zu Populationen, die nur noch aus Weibchen bestehen, die sich durch Parthenogenese, eine Form der ungeschlechtlichen Fortpflanzung, fortpflanzen. Die Studie zeigt, dass Gene, die in regulatorischen Netzwerken eng miteinander verbunden sind und an mehreren biologischen Prozessen beteiligt sind, möglicherweise noch lange nach dem Verlust eines Merkmals erhalten bleiben, was eine potenzielle Möglichkeit für die Wiederentstehung von Merkmalen über lange evolutionäre Zeiträume hinweg bietet.

In der neuen Studie führten Forni und seine Co-Autoren Barbara Mantovani, Alexander S. Mikheyev und Andrea Luchetti eine vergleichende Analyse von drei Stabheuschreckenarten der Gattung Bacillus durch. Während die Populationen von Bacillus grandii marettimi aus Männchen und Weibchen bestehen, die sich sexuell fortpflanzen, umfasst Bacillus atticus Populationen mit ausschließlich Weibchen, die sich durch Parthenogenese fortpflanzen.

Eine dritte Art, Bacillus rossius, umfasst sowohl sexuelle als auch parthenogenetische Populationen. Durch die Untersuchung des Schicksals von Genen, die bei diesen drei Arten an der männlichen Fortpflanzung beteiligt sind, wollten die Autoren herausfinden, inwieweit Gene nach dem Verlust von Merkmalen erhalten bleiben und welche potenziellen Mechanismen dieser Erhaltung zugrunde liegen.

Die Forscher identifizierten zunächst Gennetzwerke, deren Expression mit der männlichen oder weiblichen Fortpflanzung in der geschlechtsreifen Art B. marettimi korrelierte, und untersuchten dann die gleichen Gene in B. atticus und B. rossius. Überraschenderweise zeigten die mit dem Männchen in Zusammenhang stehenden Gene im Vergleich zu den mit dem Weibchen in Zusammenhang stehenden Genen in der parthenogenetischen Art keine Anzeichen einer abgeschwächten Selektion oder beschleunigten Evolution. Darüber hinaus blieben die mit dem Männchen in Zusammenhang stehenden Muster der Genexpression bei beiden parthenogenetischen Arten teilweise erhalten.

Bei genauerer Untersuchung stellten die Forscher fest, dass Gene in weiblichen Netzwerken hauptsächlich in weiblichen Fortpflanzungsgeweben exprimiert wurden, während Gene in männlichen Netzwerken in männlichen und weiblichen Fortpflanzungsgeweben exprimiert wurden, darunter sowohl bei geschlechtlichen als auch bei parthenogenetischen Weibchen. Dies deutet darauf hin, dass männliche Gene auch bei der weiblichen Fortpflanzung eine Rolle spielen könnten.

Die Beteiligung eines Gens an mehreren biologischen Prozessen wird als Pleiotropie bezeichnet und dieses Phänomen könnte, wie bereits früher vermutet, den Erhalt männlicher Gene bei diesen parthenogenetischen Stabheuschrecken erklären.

Darüber hinaus stellten die Autoren fest, dass Gene, die stark mit vielen anderen Genen im Netzwerk verbunden waren, mit höherer Wahrscheinlichkeit in den Fortpflanzungsgeweben der Parthenogenen exprimiert wurden. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Netzwerkkonnektivität eines Gens auch dessen Generhaltung nach dem Verlust eines Merkmals beeinflussen könnte.

Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, „dass der molekulare Grundplan des einst verlorenen männlichen Fortpflanzungsprozesses aufgrund pleiotropischer Effekte auf andere Merkmale bestehen bleiben könnte“, erklärt Forni. „Verschiedene Gene können je nach Grad der Pleiotropie innerhalb des Genregulationsnetzwerks unterschiedliche Wege der Erhaltung und des Verfalls einschlagen.“

Diese Studie wirft nicht nur Licht auf die Persistenz der genetischen Architektur nach Merkmalsverlust, sondern bietet auch einen möglichen Einblick in die Entstehung seltener Männchen und kryptischen Geschlechts (d. h. episodische Zeugung von Männchen und sexuelle Fortpflanzung), die bei einer zunehmenden Zahl von Abstammungslinien beobachtet wurden, von denen man annahm, dass sie die Fähigkeit zur Fortpflanzung von Männchen schon vor langer Zeit verloren hätten. Dies eröffnet neue potenzielle Forschungsansätze, deren Auswirkungen weit über Stabheuschrecken hinausgehen könnten.

„Es bleibt von grundlegender Bedeutung, zu untersuchen, wie weitreichend die Erhaltung genetischer Eigenschaften nach dem Verlust von Merkmalen in größerem Maßstab ist. Obwohl der Bacillus-Artenkomplex einen guten Rahmen zur Behandlung dieser Fragen bietet, wäre es sinnvoll, einen größeren Artenkomplex zu analysieren, in dem mehrere Übergänge zwischen Fortpflanzungsstrategien stattgefunden haben“, bemerkt Forni.

„Während es oft notwendig ist, sich auf Modellarten zu verlassen, um biologische Prozesse zu entdecken und zu analysieren, ist es noch wichtiger, unsere Hypothesen in einem breiteren Kontext zu testen. Dies wird nur möglich sein, wenn wir mehr Anstrengungen unternehmen, um die erstaunliche Vielfalt der Organismen und ihre komplexen Anpassungen zu beobachten und zu analysieren.“