Untersuchung des bemerkenswerten Fortpflanzungszyklus der bedrohten Weichtiere Michigans

Michigan ist die Heimat von 43 Arten einheimischer Süßwassermuscheln, von denen 30 als vom Aussterben bedroht gelten. Zu den vielen Faktoren, die die hartschaligen Bodenbewohner bedrohen, gehören die Konkurrenz durch invasive Zebra- und Quagga-Muscheln, Wasserverschmutzung und – vor allem – Staudämme.

Der Huron River im Südosten Michigans beispielsweise hat 19 Dämme an seinem Hauptarm und mindestens 96 in seinem gesamten Einzugsgebiet. Durch das Aufstauen wird die Ökologie eines Flusses völlig verändert, da die ursprünglichen, muschelreichen Untiefen, Stromschnellen und Tümpel durch weniger geeignete, seenartige Stauseen ersetzt werden.

Zwei Biologen der University of Michigan leiteten kürzlich eine Süßwassermuschelstudie, die auf Feldarbeit entlang des Huron River und des River Raisin, ebenfalls im Südosten Michigans, basierte. Die Studie, veröffentlicht 24. Mai im Journal PeerJuntersucht den bemerkenswerten Fortpflanzungszyklus von Süßwassermuscheln, bei dem trächtige Weibchen fleischige „Mantelköder“ verwenden, um in der Nähe befindliche Fische anzulocken und sie mit Muschellarven zu „infizieren“.

Der Hauptautor der Studie, Trevor Hewitt, führte die Feldforschung für seine Doktorarbeit in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie der UM durch. Der leitende Autor, Diarmaid Ó Foighil, ist Professor in der Abteilung und war Hewitts Berater.

Welche Hintergrundinformationen müsste jemand kennen, der mit Ihrem Fachgebiet überhaupt nicht vertraut ist, um die Ergebnisse Ihrer Studie zu verstehen?

Hewitt: Süßwassermuscheln durchlaufen eine obligatorische parasitäre Larvenentwicklung, bei der trächtige Weibchen einen geeigneten Fischwirt mit ihren Jungen infizieren müssen. Die Muschellarven heften sich normalerweise an die Kiemen des Wirtsfisches, verwandeln sich nach zwei bis vier Wochen in Jungtiere und sinken auf den Flussboden. Viele Muschelarten sind Wirtsspezialisten, die nur eine oder wenige Fischarten infizieren und unterschiedliche Wirtsinfektionsstrategien anwenden.

Eine der auffälligsten Strategien ist die Verwendung eines Mantelköders. Dabei handelt es sich um einen pigmentierten Gewebelappen, den trächtige Weibchen zur Schau stellen, um ein Beutetier (einen kleinen Fisch, ein wirbelloses Tier usw.) zu imitieren und so einen Angriff des Wirtsfisches auszulösen, der zu einer Infektion führt.

Mantelköder sind ein bemerkenswertes und wenig erforschtes Beispiel für Mimikry in der Natur, das jedes Frühjahr und jeden Sommer in vielen unserer Bäche und Flüsse auftritt.

Welche konkrete Forschungsfrage wollten Sie beantworten und welche Methoden haben Sie eingesetzt?

Hewitt: Unsere Forschung konzentrierte sich auf die Mantelködervielfalt einer Muschelart, der Wellenstrahlmuschel, die von Michigan bis Alabama vorkommt. Diese Muschel nutzt den Schwarzbarsch als ihren primären Fischwirt und besitzt – was am ungewöhnlichsten ist – zwei sehr unterschiedliche Mantelködertypen.

Eine der beiden Arten, die früher als „Darter-artig“ bezeichnet wurde, ähnelt einem kleinen Fisch namens Darter, komplett mit Augenflecken, gesprenkelter Körperfärbung und markanten Randausläufern, darunter einem Schwanz. Die andere, die früher als „wurmartig“ bezeichnet wurde, ist gleichmäßig leuchtend orange mit schwarzem Unterton. Beide Köderformen oder Morphen kommen im gesamten Verbreitungsgebiet des Tiers gemeinsam vor.

Unsere Forschungsziele waren: zu bestätigen, dass die Mantelködervielfalt einen echten Polymorphismus darstellt, also eine deutlich unterschiedliche Form innerhalb einer Population der Art; ihre ökologische Persistenz im Laufe der Zeit zu untersuchen; die Bandbreite der mutmaßlichen Modellarten zu identifizieren, auf die dieses Mimikry-System in einer natürlichen Population abzielt; und festzustellen, ob sich die beiden Mantelködermorphen neben ihrer Pigmentierung und Morphologie auch in ihrem Balzverhalten unterscheiden.

Was sind die wichtigsten Erkenntnisse Ihrer Studie und wie gehen diese über bisherige Untersuchungen zu diesem Thema hinaus?

Ó Foighil: Wir konnten anhand von zwei unabhängigen Kriterien nachweisen, dass die Mantelmuschel-Morphdiversität bei dieser Art ein echter Polymorphismus ist: Evolutionsbäume auf Grundlage genomischer Daten und die Vererbung beider Morphen innerhalb eines in Gefangenschaft aufgezogenen Brutbestands – der erste derartige Nachweis bei Süßwassermuscheln.

Anhand von Museumsexemplaren einer River Raisin-Population stellten wir fest, dass der Polymorphismus über ökologische Zeiträume hinweg stabil zu sein scheint. Das Verhältnis der beiden Ködermorphen im Jahr 2017 stimmte mit dem von Museumsproben überein, die sechs Jahrzehnte zuvor an derselben Stelle gesammelt wurden.

Wir konnten innerhalb der River Raisin-Muschelpopulation wahrscheinliche Modellarten für die Mantelködervarianten identifizieren – also die Fisch- oder Wirbellosenarten, die die Mantelköder imitieren. Vier Hauptmotive der Darter-ähnlichen Köder ähnelten optisch vier gleichzeitig vorkommenden Darter-Fischarten, und der wurmähnliche Köder ähnelte dem nordamerikanischen medizinischen Blutegel. Darter und Blutegel sind typische Beutetiere des Schwarzbarschs.

Mithilfe einer GoPro-Kamera wurden Feldaufnahmen des Köderverhaltens von Darter und Blutegel im River Raisin und im Huron River gemacht. Die Vorführungen waren trotz der deutlichen Unterschiede im Aussehen der Köder und der Modellarten weitgehend ähnlich, was darauf schließen lässt, dass die Nachahmung nur oberflächlich ist.

Gab es große Überraschungen?

Hewitt: Es gab mehrere große Überraschungen. Am wichtigsten war die unerwartete Entdeckung des Mantelköderpolymorphismus innerhalb der Brut, was bedeutet, dass unterschiedliche Formen des Mantelköders innerhalb einer einzigen Gruppe von Nachkommen gefunden wurden, die von einer weiblichen Muschel gelegt wurden. Dieses wichtige Ergebnis war hart erarbeitet und erforderte die Infektion von Fischwirten und zwei Jahre der Zucht junger Muscheln im Alabama Aquatic Biodiversity Center.

Eine weitere Überraschung war die Entdeckung von Muschelproben aus den 1950er Jahren von unserem Studienstandort River Raisin in der Weichtiersammlung des UM Museum of Zoology. Die Mantelköder dieser alten Exemplare waren noch intakt und ermöglichten uns, das Verhältnis der Blutegelködermorphe zur Darterködermorphe über einen Zeitraum von über 60 Jahren zu vergleichen.

Was sind die wichtigsten Implikationen oder möglichen Anwendungen dieser Erkenntnisse?

Ó Foighil: Die Entdeckung der diskreten Vererbung des Mantelköderpolymorphismus innerhalb der Brut ist besonders spannend, da sie eine potenzielle Kontrolle durch einen einzigen genetischen Locus impliziert. Über die regulatorischen Gene, die Mantelköder kontrollieren, ist praktisch nichts bekannt, was eine erhebliche Wissenslücke darstellt. Unsere Ergebnisse identifizieren die Wellenstrahl-Lampenmuschel als vielversprechendes Studiensystem zur Identifizierung der regulatorischen Gene, die ein wichtiges adaptives Merkmal der gefährdeten nordamerikanischen Süßwassermuscheln kontrollieren.

Die anderen Autoren der PeerJ-Studie sind Paul Johnson und Michael Buntin vom Alabama Aquatic Biodiversity Center und Talia Moore von der University of Michigan.