Neues aus Wissenschaft und Naturschutz

14.11.2017, Universität Konstanz
„Linkshändige“ Fische und asymmetrische Gehirne
Konstanzer Biologen finden Zusammenhänge zwischen „Händigkeit“, Gehirnstruktur und Genen bei extrem spezialisierten Buntbarschen
Ob rechte oder linke Hand, spielt für uns Menschen eine große Rolle. Die überwiegende Mehrheit bevorzugt die rechte Körperseite, nur rund drei Prozent der Menschen sind mit beiden Händen gleichermaßen trainiert. Mit ihrer Präferenz für eine Körperhälfte sind Menschen nicht allein: Auch im Tierreich tritt das Phänomen auf, unter anderem bei Menschenaffen oder auch Vögeln, wenn auch häufig nicht so auffällig wie beim Menschen. Besonders ausgeprägt ist die „Händigkeit“ allerdings beim Buntbarsch Perissodus microlepis, der im afrikanischen Tanganjikasee beheimatet ist. Diese Art von Buntbarsch ist extrem spezialisiert, denn sie frisst ausschließlich Schuppen von anderen Fischen, und zudem immer nur von einer Seite seiner Beutefische. Individuen zeigen nicht nur in ihrem Jagdverhalten eine deutliche Vorliebe für jeweils eine Seite, von der aus sie ihre Beute angreifen, auch die Kopfform der Fische spiegelt diese Präferenz wider: Bei vielen dieser Buntbarsche ist das Maul nicht symmetrisch, sondern asymmetrisch und weist eine Biegung nach links oder rechts auf. Biologen der Universität Konstanz untersuchten nun Zusammenhänge der Seitenpräferenz des Buntbarsches mit der Struktur seines Gehirns und dessen „angeschalteten“ Genen. Das Team von Prof. Dr. Axel Meyer, Professor für Zoologie und Evolutionsbiologie an der Universität Konstanz, zeigte, dass die Seitenpräferenz des Fressverhaltens wie auch die Anatomie der Köpfe mit einer Asymmetrie der Gehirnhälften sowie mit unterschiedlicher Aktivität ihrer Gene in verschiedenen Hirnhälften korreliert. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals „Genome Biology and Evolution“ veröffentlicht.
„Unsere Forschung hilft dabei, die Grundlagen der Händigkeit und der Asymmetrie im Gehirn besser zu verstehen. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse auch zum Verständnis der Händigkeit beim Menschen beitragen“, schildert der Konstanzer Biologe Dr. Ralf Schneider, zusammen mit Dr. Hyuk Je Lee einer der Hauptautoren der Studie.
Die Biologen dokumentierten in ihrer Studie zunächst die Seitenpräferenz von rund 40 Individuen dieser Buntbarsche Anschließend untersuchten sie die Symmetrie des Gehirns. „Im gesamten Gehirn der Fische, aber besonders in der Gehirnregion Tectum Opticum, fanden wir eine klare Asymmetrie – aber nur bei den Fischen, die auch eine einseitige Jagdpräferenz aufweisen“, schildert Ralf Schneider. Das Tectum Opticum ist die Gehirnregion, die für die Verarbeitung der optischen Sinneseindrücke zuständig ist. Die Hälfte des Tectum Opticum, die für das Auge der bevorzugten Seite zuständig ist, war bei den Buntbarschen jeweils stärker ausgebildet. Fische, die keine Seitenpräferenz zeigten, wiesen hingegen eine größere Symmetrie des Tectum Opticum auf. Dasselbe Muster zeigte sich auch für weitere Gehirnregionen. „Das ist interessant, weil es darauf hindeutet, dass es einen funktionellen Zusammenhang zwischen der Ausbildung des Gehirns und der Verhaltenslateralität gibt“, so Schneider.
Genanalysen (Genexpressionsanalysen) mehrerer Teile des Gehirns zeigten, welche Gene in den jeweiligen Gehirnregionen verstärkt aktiviert werden. Auch hier wiederholte sich das Muster, das sich bereits in der Gehirnstruktur gezeigt hatte: Allein schon im Tectum Opticum waren 140 Gene unterschiedlich häufig in den beiden Gehirnhälften aktiviert. Jeweils in Übereinstimmung mit der Seitenpräferenz der Tiere war die Aktivität der Gene in der entsprechenden Gehirnhälfte erhöht beziehungsweise reduziert. Die deutlichste Übereinstimmung wies das Gen Synuclein Gamma Alpha (sncga) auf – ein besonders interessantes Ergebnis, denn aus Untersuchungen des Zebrabärblings ist bekannt, dass dieses Gen verstärkt in der sogenannten Habenula exprimiert wird, einem Gehirnteil, der bei sämtlichen Wirbeltieren einschließlich des Menschen asymmetrisch aufgebaut ist. Neben Synuclein Gamma Alpha war eine Reihe anderer Gene, die beim Menschen mit Händigkeit und auch mit Schizophrenie in Zusammenhang gebracht werden, in den Gehirnhälften dieser Buntbarsche unterschiedlich häufig aktiviert. Es gibt Grund zur Annahme, dass die Habenula der Ursprung für einige Asymmetrien im Gehirn von Wirbeltieren sein könnte. Die Evolution der extremen Spezialisierung, Schuppen bevorzugt nur von einer Seite der Beutefische zu fressen und dabei auch den Kopf und das Gehirn asymmetrisch zu verändern, ist vermutlich durch extrem schnelle „seiten-spezifische“ Evolution der Genregulation im Gehirn erreicht worden, schildern die Biologen.
Originalpublikation:
Hyuk Je Lee, Ralf F. Schneider, Tereza Manousaki, Ji Hyoun Kang, Etienne Lein, Paolo Franchini, Axel Meyer. Lateralized Feeding Behavior Comes with Asymmetrical Neuroanatomy and Lateralized Gene Expressions in the Brain in Scale-Eating Cichlid Fish. Genome Biology and Evolution, online publiziert am 24. Oktober 2017
[https://academic.oup.com/gbe/article/doi/10.1093/gbe/evx218/4563458; https://doi.org/10.1093/gbe/evx218]

15.11.2017, Museum für Naturkunde – Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung
Krötenimmigranten retten eine gefährdete Krötenpopulation
Laura Sandberger-Loua und Mark-Oliver Rödel vom Museum für Naturkunde Berlin sowie Heike Feldhaar (Universität Bayreuth), analysierten in einer kürzlich veröffentlichten Studie den Einfluss von Lebenslaufstrategien, jüngerer anthropogener Landnutzung, Habitat und Topographie auf die Populationsstruktur der westafrikanischen Nimbakröte. Habitatveränderungen führen zur Isolation von Populationen, was die Aussterbewahrscheinlichkeit erhöht. Effekte äußerer Gefährdungen können von artspezifischen Eigenschaften entweder abgepuffert oder verstärkt werden. Die kleinste von drei Populationen der Nimbakröte wird vor größerem Schaden durch Migrationen entlang der Bergkuppen im Hochlandnebel bewahrt.
Es ist bekannt dass vier Faktoren – Lebensstrategie, jüngere (anthropogene) Landnutzungsgeschichte, Habitat und Topographie – für die Konnektivität und das Überleben von Amphibienpopulationen wichtig sind. Eine kürzlich veröffentlichte Studie untersucht den Einfluss dieser vier Faktoren auf die Überlebenswahrscheinlichkeit und Konnektivität dreier Populationen einer kleinen tropischen Kröte mit einer einzigartigen Fortpflanzungsstrategie. Nimbakröten (Nimbaphrynoides occidentalis) sind lebendgebärend und matrotrophisch, das bedeutet, dass Mütter ihre Jungtiere während einer Tragzeit von neun Monaten im Mutterleib ernähren. Diese Kröten sind nur in der Hochlandsavanne der Nimbaberge, einer kleiner subtropischen Bergkette in Westafrika, zu finden.
Bergbau hat schon einen Teil und wird wahrscheinlich einen anderen Teil des Krötenverbreitungsgebiets massiv verändern. Daher ist dieses System ideal um die Populationskonnektivität und Populationsvitalität eines gefährdeten Froschlurchs (Frösche und Kröten) mit einzigartigen Eigenschaften zu untersuchen. Diese einzigartigen Eigenschaften sind eine sehr kleine Verbreitung, hohe Habitatspezifität, eine kleinen Anzahl Nachkommen (im Mittel neun Jungtiere pro Trächtigkeit), eine angenommene geringe Ausbreitungsfähigkeit und eine starke Saisonalität der Umwelt. Für Amphibien verstärken diese fünf Eigenschaften die Aussterbewahrscheinlichkeit. Laura Sandberger-Loua, Mark-Oliver Rödel, beide Museum für Naturkunde, Berlin, und Heike Feldhaar (Universität Bayreuth), vertieften ihre Forschung und analysierten den Einfluss von Lebenslaufstrategien (Lebendgeburt), jüngere anthropogene Landnutzung (Bergbau und Erkundung von Bodenschätzen), Habitat (Wald und Grasland) und Topographie (Höhe) auf die Konnektivität und Vitalität der Nimbakrötenpopulationen.
Generell wird angenommen, dass Amphibienpopulationen eine große genetische Differenzierung aufweisen. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass die meisten Arten Tümpel, Seen oder Flüsse mit besonderen Eigenschaften benötigen um sich erfolgreich Fortpflanzen zu können. Froschlurche die für ihre Reproduktion nicht auf Wasser angewiesen sind, könnten daher eine geringere Populationsdifferenzierung aufweisen, da sie den Ort der Fortpflanzung flexibler wählen können. Gemäß dieser Annahme zeigt die lebendgebärende Nimbakröte eine geringe Populationsdifferenzierung.
Die kleinste der drei Nimbakrötenpopulationen ist in einer geschlossenen Bergbaumine zu finden. Diese Population zeigt die geringste genetische Diversität und hat daher wahrscheinlich die geringsten Möglichkeiten sich an Umweltveränderungen anzupassen, was deren Aussterbewahrscheinlichkeit erhöht. Die Populationsgröße verringerte sich seit den 1960igern um 98.5% und dennoch konnten keine genetischen Hinweise auf eine drastische Verringerung der Populationsgröße während der letzten Generationen gefunden werden. Daher müssen die negativen genetischen Effekte von irgendetwas in den letzten Jahren abgeschwächt worden sein. Wahrscheinlich liegt der Grund in der relativ häufigen Einwanderung von Kröten aus den anderen größeren und genetisch diverseren Populationen. Einwanderer bringen neue Allele in eine kleine Population und können damit den negativen genetischen Effekten entgegenwirken.
Es ist jedoch überraschend, dass Nimbakröte zwischen dien Populationen migrieren können. Bei den meisten Amphibien wandern die Jungtiere aus. Nimbakröten Jungtiere sind nach der Geburt 8 mm groß und müssen innerhalb von 3-4 Monaten mindestens 7 km durchwandern, wenn sie vor den wahrscheinlich tödlichen Trockenzeitfeuern in der neuen Population ankommen wollen. Erstaunlicherweise zeigen die Analysen, dass Nimbakröten häufig einwandern, zumindest wenn die Berge zwischen den Populationen mit Hochlandsavanne bedeckt sind. Etwas seltener kommen die Einwanderer in der neuen Population an, wenn sie tiefere Gebiete oder Wald durchqueren müssen. Nichtsdestotrotz, zeigt die Erfolgreiche Einwanderung in die kleinste Population, dass dies ausreichend häufig vorkommt um die genetische Diversität in dieser Population zu erhöhen. Ein Grund, dass dies möglich ist, liegt wahrscheinlich daran, dass die Migrationsrouten fast immer im Nebel liegen und daher eine hohe Luftfeuchte gewährleistet ist.
Die Autoren schließen daraus, dass eine Wasserunabhängige Fortpflanzung (Lebendgeburt) die genetische Differenzierung zwischen Populationen verringern kann. Die Bergbau Historie des Gebiets führte zu einer Reduktion der Populationsgrößen und behinderte die Konnektivität. Diese negativen Einflüsse konnten jedoch durch die große Mobilität der Nimbakröte abgepuffert werden. Die hohe Luftfeuchte in den größeren Höhen der Nimbaberge hatte darauf vermutlich einen großen Einfluss. Dies zeigt, dass die Feuchteverfügbarkeit eines Habitats eine wichtige Landschaftseigenschaft ist, um es Amphibien zu ermöglichen die Verbindung zwischen unterschiedlichen Populationen aufrecht zu erhalten.
Publikation:
Link: https://link.springer.com/article/10.1007/s10592-017-1029-4

15.11.2017, Karlsruher Institut für Technologie
Umweltforschung: Das Schweigen der Hummeln
Getreide, Kartoffeln, Tomaten – viele Nutzpflanzen sind, nicht nur für einen hohen Ertrag, auf die Bestäubung durch Insekten angewiesen. Dass Pestizide das Bestäubungsverhalten von Hummeln beeinträchtigen, haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der University of Stirling herausgefunden. Ihre Ergebnisse stellen sie in der Fachzeitschrift Scientific Reports vor.
Hummeln setzen Pollen per Vibrationsbestäubung frei: Sie erzeugen mit ihrem Flügelschlag Frequenzen, die die Pollen aus der Blüte herausschütteln. So entsteht das bekannte Summen, das zwei Zwecken dient: Bestäubung anderer Blüten und Sammeln von Nahrung.
„Wir haben die Wirkung des Pestizids Neonicotinoid auf Hummeln untersucht und herausgefunden, dass es die Vibrationen, und somit auch das Summen, negativ beeinflusst“, sagt Dr. Penelope Whitehorn. Die Biologin, die jetzt am Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) des KIT forscht, leitete die Studie an der University of Stirling.
Zusammen mit Dr. Mario Vallejo-Marin, University of Stirling, untersuchte sie durch das Pestizid belastete Hummelkolonien, überwachte deren Verhalten und nahm über einen längeren Zeitraum das Summen mit Mikrofonen auf. Danach analysierten die Wissenschaftler das akustische Signal, das die Hummeln bei der Vibrationsbestäubung erzeugen, um Veränderungen im Summen festzustellen. Sie fanden heraus, dass die permanente Belastung durch das Pestizid die Vibrationen verringert. Dies wiederum reduziere die Menge der gesammelten Pollen und somit die Nahrung der Hummeln, so die Forscher.
„Hummeln einer Kontrollgruppe, die dem Pestizid nicht ausgesetzt waren, lernten in ihrer Entwicklung nach und nach dazu, wie sie mehr Pollen sammeln und besser Blumen bestäuben können“, so Whitehorn. „Die Hummeln, die mit dem Pestizid in Berührung kamen, entwickelten ihre Fähigkeiten nicht weiter. Sie sammelten am Ende des Experiments zwischen 47 und 56 Prozent weniger Pollen als die Kontrollgruppe.“
„Unsere Forschungsergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zu der Frage, wie sich Pestizide auf die Hummelpopulation und ihre Bestäubungsleistung auswirken. Sie weisen auch darauf hin, dass die Belastung durch Pestizide die Fähigkeiten der Hummeln beeinträchtigen kann, komplexe Verhaltensweisen wie die Vibrationsbestäubung weiterzuentwicklen“, sagt Vallejo-Marin. „Der nächste Schritt unserer Forschung wäre nun, den Mechanismus zu bestimmen, durch den das Pestizid die Hummeln beeinflusst. Wir glauben, dass Pestizide sich auf das Gedächtnis und die kognitiven Fähigkeiten von Hummeln auswirken. Beides sind wichtige Voraussetzung für komplexe Verhaltensweisen.“
Das Paper „Neonicotinoid pesticide limits improvement in buzz pollination by bumblebees“ veröffentlichten die Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Scientific Reports: https://www.nature.com/articles/s41598-017-14660-x.

16.11.2017, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
Distelschildkäfer benötigen ein symbiotisches Bakterium für den Abbau pflanzlicher Zellwände. Das Bakterium weist das kleinste Erbgut aller bislang untersuchten Organismen auf, die außerhalb einer Wirtszelle leben. Das Genom enthält Gene, die für die Bildung von Pektinasen zuständig sind: Enzyme, die das Pektin, ein wesentliches Bauelement der Zellwand, aufbrechen. Die Produktion der Pektinasen ist somit die Hauptaufgabe dieser Bakterien. Ohne die symbiotischen Mikroben könnten die Käfer nicht an die Nährstoffe innerhalb der pflanzlichen Zellen gelangen und somit wohl nicht von Blattnahrung leben.
Ein internationales Team unter Beteiligung von Forschern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena hat jetzt ein Bakterium in einer Blattkäferart beschrieben, das dem Käfer Enzyme zur Verfügung stellt, mit denen die Insekten bestimmte Bestandteile der pflanzlichen Zellwand verdauen können. Das Bakterium weist das kleinste Erbgut aller bislang untersuchten Organismen auf, die außerhalb einer Wirtszelle leben. Das Genom enthält Gene, die für die Bildung von Pektinasen zuständig sind: Enzyme, die das Pektin, ein wesentliches Bauelement der Zellwand, aufbrechen. Die Produktion der Pektinasen ist somit die Hauptaufgabe dieser Bakterien. Ohne die symbiotischen Mikroben könnten die Käfer nicht an die Nährstoffe innerhalb der pflanzlichen Zellen gelangen und somit wohl nicht von Blattnahrung leben (Cell, November 2017, doi 10.1016/j.cell.2017.10.029).
„Der Ausgangspunkt unserer Studie waren histologische Beschreibungen und Zeichnungen der symbiotischen Organe von Schildkäfern, die der deutsche Zoologe Hans-Jürgen Stammer vor mehr als 80 Jahren anfertigte. Dieser außergewöhnlichen Partnerschaft zwischen Käfer und Bakterium, die Stammer als Besonderheit beschrieb, wollten wir mit modernen molekularbiologischen Untersuchungsmethoden auf den Grund gehen“, erklärt Hassan Salem, der Erstautor der Publikation, der am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie promovierte und derzeit mit einem Feodor-Lynen-Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung an der US-amerikanischen Emory University in Altlanta, Georgia, forscht.
Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) erforschte bereits in den 20er und 30er Jahren des 20. Jahrhunderts Symbiosen zwischen Insekten und Bakterien. Er musste jedoch feststellen, dass symbiotische Bakterien in der Familie der Blattkäfer (Chrysomelidae) kaum zu finden sind. Allerdings fand er bei seinen Untersuchungen auch einige Ausnahmen, darunter Arten aus der Unterfamilie der Schildkäfer, wie den Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa). Diese Schildkäferarten sind, wie er in einer Studie 1936 beschrieb, mit ungewöhnlichen Organen ausgestattet. Die Symbiose-Bakterien wohnen in sackartigen Ausstülpungen am Darm der Käfer. Sie werden von weiblichen Käfern über Vaginalschläuche auf die Nachkommen übertragen, indem jedes Käfer-Ei mit einer kleinen Symbiontenhaube versehen wird. Wenn die Larve aus dem Ei schlüpft, frisst sie sich durch die Eischale und verschlingt das Häubchen, das die symbiotischen Bakterien enthält.
Blattkäfer können Bestandteile der pflanzlichen Zellwand wie Zellulose und Pektin mit Hilfe von Verdauungsenzymen abbauen. Allerdings zeigten genetische Untersuchungen, dass der Distelschildkäfer selbst keine Gene besitzt, die den Bauplan für entsprechende Pektinase-Enzyme enthalten. Die neue Studie zeigt nun, dass dieses Defizit durch die enge Symbiose mit dem Bakterium ausgeglichen wird. Um die Bedeutung der bakteriellen Symbionten für den Käfer zu verstehen, führten die Forscher eine Reihe von Untersuchungen durch, die sie mit Messungen der Enzymaktivität kombinierten. „Als wir die Enzymaktivität in Distelschildkäfern mit und ohne Symbiose-Bakterien verglichen, stellten wir fest, dass Distelschildkäfer ohne Symbionten kein Pektin mehr abbauen konnten, um an die Nährstoffe in den pflanzlichen Zellen zu gelangen. Diese Käfer hatten deutlich geringere Überlebenschancen“, sagt Roy Kirsch vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.
Die genetische Untersuchung des Symbiose-Bakteriums, das die Forscher in Erinnerung an Stammers Aufzeichnungen in der aktuellen Studie als „Candidatus Stammera capleta“ vorstellen, erbrachte eine weitere Überraschung. Das Erbgut des Winzlings ist auf wenige hundert Gene reduziert, unter denen einige aber die Produktion und den Transport von Pektinasen regulieren. Entsprechend klein ist das Genom: Mit lediglich ~270.000 Basenpaaren hat das Bakterium das kleinste jemals beschriebene Genom eines Organismus, der außerhalb einer Wirtszelle existiert. Zum Vergleich: Das Darmbakterium Escherichia coli, das im Darm vieler Tiere einschließlich des Menschen anzutreffen ist, hat beispielsweise 4.600.000 Basenpaare, ist also 17-mal so groß. Ein noch kleineres Genom als das des Käfer-Symbionten wurde bislang nur in Bakterien gefunden, die innerhalb von Zellen ihrer Wirte leben.
Die Symbiose zwischen Käfer und Bakterium erstaunt durch eine sehr klare Arbeitsteilung. „Der Käfer besitzt die Gene, die für die Bildung von Enzymen verantwortlich sind, die Zellulose verdauen, während der Symbiont Pektinasen zur Verfügung stellt. Zusammen haben sie alle notwendigen Enzyme, um die pflanzliche Zellwand abbauen zu können. Besonders an dieser Symbiose ist, dass wir erstmals ein spezialisiertes symbiotisches Bakterium beschreiben konnten, dessen primäre oder sogar einzige Aufgabe die Herstellung von Pektin abbauenden Enzymen ist“, fasst Hassan Salem zusammen.
Dass es heute viele pflanzenfressende Tiere gibt, ist eine Folge von Anpassungen, die sich im Laufe der Evolution herausgebildet haben. An vielen dieser Anpassungen sind tatsächlich Mikroorganismen maßgeblich beteiligt. Die Distelschildkäfer sind dafür ein beeindruckendes Beispiel. Ohne Pektinasen kommen sie nicht an die Nährstoffe in den Pflanzenzellen. Die Herstellung dieser Enzyme haben sie allerdings vollständig an einen Dienstleister ausgelagert: ein Bakterium, das in speziellen Organen am Darm haust.
In vielen Blattkäferarten sind die Gene, die für die Bildung von Verdauungsenzymen für den Abbau pflanzlicher Zellwandbestandteile verantwortlich sind, ursprünglich über einen horizontalen Gentransfer von Pilzen und Bakterien in das Erbgut der Vorfahren dieser Insekten gelangt. „Es ist wirklich faszinierend, wie unterschiedlich Insekten das Problem gelöst haben, die Zellwand einer Pflanze aufzubrechen. Warum sich manche Insekten dafür Gene aus Mikroorganismen angeeignet haben, während andere die Aufgabe Symbionten überlassen, ist eine spannende Frage für zukünftige Untersuchungen“, sagt Martin Kaltenpoth von der Universität Mainz.
Originalveröffentlichung:
Salem, H., Bauer, E., Kirsch, R., Berasategui, A., Cripps, M., Weiss, B., Kogy, R., Fukumori, K., Vogel, H., Fukatsu, T., Kaltenpoth, M. (2017). Drastic genome reduction in an herbivore’s pectinolytic symbiont. Cell 172, DOI: 10.1016/j.cell.2017.10.029
https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.10.029

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