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StartseiteForschung aktuellVerwandtschaftsverhältnisse klar wie nie07.11.2014

Insekten-StammbaumVerwandtschaftsverhältnisse klar wie nie

Über eine Million Insektenarten leben auf unserem Planeten. Doch wie all diese Bienen, Ameisen, Heuschrecken, Läuse und Kakerlaken miteinander verwandt sind, das war bislang ein Rätsel. Eine konzertierte Aktion von Evolutionsbiologen, Genforschern und Bioinformatikern bringt jetzt aber Licht ins Dunkel der Insekten-Evolution. Federführend war Bernhard Misof beteiligt, Professor am Bonner Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig. Er erklärt den in "Science" vorgestellten Stammbaum im Gespräch mit Ralf Krauter.

Bernhard Misof im Gespräch mit Ralf Krauter

(Science/Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn)
Sand-Goldwespe (Science/Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn)
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Ralf Krauter: Herr Professor Misof, woher kamen die Insekten, deren Erbgut sie analysiert haben?

Bernhard Misof: Wir haben begonnen 2011 zu sammeln und haben praktisch weltweit unsere Kontakte spielen lassen, um Proben zu bekommen. Wenn man Erbanlagen sequenziert in dem Umfang, in dem wir das gemacht haben, und zwar in dem Fall Transkriptom-Sequenzierung - das ist die Sequenzierung aller transkribierten Gene im gesamten Organismus - dann brauchen wir frische Proben, also frisch gesammelte Organismen. Und wir haben weltweit mit Sammlern Kontakt aufgenommen, um uns diese Proben zu schicken. Das ist ein großer logistischer Aufwand gewesen, und das erste Jahr 2011 im wesentlichen bis hinein nach 2012 haben wir uns nur mit der Probenorganisation beschäftigt.

Krauter: Wie viele Arten haben Sie untersucht?

Misof: In dieser Science-Publikation sind 144 Arten enthalten, aber wir arbeiten ja schon an einem wesentlich größeren Datensatz und wir haben im Moment schon über 1400 Arten sequenziert.

Krauter: Letztlich haben Sie dann eine Menge genetischer Daten versammelt. Die Herausforderung war jetzt, die alle in Zusammenhang zu setzen, quasi ein gigantisches Puzzle zusammenzufügen?

Misof: So ist es, ja.

Krauter: Wie sind Sie hervorgegangen?

Mit der Schrotflinte auf Genjagd

Misof: Wir haben uns folgende Technik zu Nutze gemacht. Seit der Sequenzierung des menschlichen Genoms weiß man, dass die so genannte Shotgun-Sequenzierung des Genoms die effektivste Strategie ist, große Datenmengen zu produzieren.

Krauter: Das ist die Schrotflinten-Technik?

(Science/Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn)Gewächshausschrecke (Science/Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn)Misof: Die Schrotflinten-Technik, genau. Man extrahiert die Erbanlagen aus den Zellen eines Organismus, zerschießt diese Erbanlagen in kleine Teile, das sind die berühmten Puzzlesteine, sequenziert dann die Puzzlesteine und setzt sie mit bioinformatischen Methoden wieder zusammen. Das war eigentlich der Schlüssel, wirklich diese enorm großen Datenmengen generieren zu können. Der zweite Schritt: Nachdem diese Genome der Transkriptome zusammengesetzt wurden, mussten wir natürlich vergleichbare Gene in diesen Erbanlagen finden. Wir können sonst nicht Äpfel mit Birnen vergleichen. Dafür mussten wir eigentlich neue bioinformatische Methoden entwickeln, das zu erreichen und zu schaffen. Ausgehend von diesen neuen bioinformatischen Methoden haben wir dann weitere neue Methoden entwickeln müssen, um letztendlich mit diesem riesengroßen Datenmengen umgehen zu können. Denn als wir das Projekt konzipiert haben, war halt klar, dass wenn wir keine besseren Analysemethoden entwickeln können, wir auch auf den größten Rechnern Deutschlands oder weltweit diese Datenmengen nicht analysieren können. Das heißt, eine Gruppe von uns, in Heidelberg, hat, während wir begonnen haben die Proben zu sammeln und zu sequenzieren, neue Computermethoden entwickelt, um diese Daten auch analysieren zu können.

Krauter: Reden wir über die Ergebnisse. Was kam heraus? Sie haben jetzt diesen Stammbaum der Insekten nachgezeichnet, genauer als man das jemals konnte. Fangen wir ganz vorne an, wann erblicken die Insekten denn das Licht der Welt?

Ganz früh an Land

Misof: Aufgrund unserer Daten schätzen wir, dass Insekten etwa um 480 Millionen Jahre, also im Ordovizium an Land gegangen sind. Das war insofern verblüffend, denn genau zu dieser Zeit, vor etwa 460 Millionen Jahre, 470 Millionen Jahre vermuten Paläontologen, dass es das erste Mal so etwas wie so genannte terrestrische Ökosysteme gab, also Landökosysteme. Man hat aber nicht gerechnet, und es gibt auch nicht so viele Insekten, die das zeigen würden, dass auch schon zu dieser Zeit die ersten Insekten an Land gegangen sind. Mit unseren Abschätzungen, dass Insekten fast gleichzeitig mit den ersten Pflanzen an Land gingen, können wir sagen, dass höchstwahrscheinlich Insekten und Pflanzen gemeinsam die gesamte Entwicklung aller Landökosysteme maßgeblich beeinflusst haben in der Form, wie sie es auch heute noch tun.

Krauter: Eine andere interessante Einsicht ist ja, dass die Insekten, nachdem sie vor 480 Millionen Jahren ungefähr an Land krabbelten, erst einmal am Boden blieben, und zwar ungefähr 80 Million Jahre lang. Erst dann, also vor circa 400 Millionen Jahren, lernten sie zu fliegen. Kann man denn auch sagen, was diese Entwicklung ausgelöst haben könnte?

Misof: Das ist wirklich schwer zu sagen. Denn das Problem, das wir haben: Die ersten Insekten, die eindeutig Flügel aufweisen, sind Insekten, die wirklich schon fliegen können. Es gibt Vermutungen, dass Vorläufer der Flügel vielleicht dazu dienen konnten, um Temperaturregulation auszuführen oder vielleicht, um die Insekten in eine Gleitphase zu bringen, und dass das dann weiter entwickelt und involviert wurde. Aber letztendlich spekulieren wir da nur.

Jungspund Laus

Krauter: Eine andere interessante Einsicht, habe ich gelesen, betrifft Läuse, da gab es Theorien, dass deren Entwicklung eigentlich schon zu Zeiten der Saurier richtig in Fahrt kam. Aber ihre Analysen deuten jetzt eigentlich eher auf eine spätere dynamische Entwicklung hin?

Misof: Ja, unser geschätzter Ursprung der Läuse von etwa 50 bis 90 Millionen Jahre korreliert eigentlich mit dem großen Auftreten vieler Vogel- und Säugetiergruppen und korreliert nicht mit einem Auftreten der Läuse vor diesem Säugetiergruppen. Das entspricht im Wesentlichen auch dem Auffinden von parasitären Läusefossilien, die niemals aufgefunden wurden zu einer Zeit, wo es noch keine Säugetiere oder Vögel gab.

Krauter: Ein anderer spannender Zweig sind Kakerlaken und Termiten. Da belegen Ihre Daten, dass die offenbar Profiteure eines Massensterbens im Perm waren!

(Science/Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn)Kamelhalsfliege (Science/Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn)Misof: Es könnte durchaus sein. Also das große Problem ist, dass wir im Perm, auch davor schon, im Devon, sehr viele Insekten haben, die ähnlich wie Kakerlaken aussehen, oder ähnlich wie Laubheuschrecken oder Feldheuschrecken aussehen, aber nur ähnlich. Wir können nicht genau sagen, wo die in diese Gruppe wirklich hineingehören. Mit unseren Analysen schätzen wir, dass tatsächlich der Ursprung dieser Gruppen in diese Zeit hineinfällt, nämlich schon vor das Perm, und dass offensichtlich viele der Fossilien, von denen wir nicht genau wussten, wo sie hingehört, tatsächlich in die Gruppen hineingehören. Und damit können wir dokumentieren, dass nach dem Verschwinden vieler Insektenordnungen im Perm später dann Kakerlaken und Termiten eigentlich erst ihre große Zeit erlebten noch heute haben.

Krauter: Was bringt dieses Wissen um die detaillierten Verwandtschaftsverhältnisse von Insekten jetzt anderen Wissenschaftszweigen? Wie könnte es die Forschung befruchten, jetzt viel genauer zu wissen, wie es mit dem Stammbaum der Insekten aussieht?

Verständnis von biologischer Vielfalt verbessert

Misof: Wir wollen letztendlich verstehen, wie biologische Vielfalt im Laufe der Evolutionsgeschichte entstanden ist. Wir kennen sehr, sehr gut, wie die unterschiedlichen Organismen aussehen, wir können beschreiben, das eine ist ein Baum, das anderes ein Insekt, oder innerhalb der Insekten können wir beschreiben, das ist eine Wespe, das ist eine Biene. Wenn wir aber versuchen zu verstehen, wie in den ab Anlagen genau diese Unterschiede kodiert sind, so müssen wir heutzutage ganz einfach passen. Wir können es nicht sagen, weil wir haben einfach viel zu wenig Informationen. Mit unseren Analysen können wir jetzt endlich einzelne Insektengruppen in einen Kontext stellen, wir können sagen: Diese Insektengruppe ist mit dieser Insektengruppe verwandt, folglich sind Gemeinsamkeiten, die wir auf den Erbanlagen finden - in Form von welche Gene finden wir in der Kakerlake, welche Genen finden wir in der Termite - können wir sagen: Das müssen Gene sein, die auf den gemeinsamen Ursprung dieser Gruppe hindeuten. Über diese Methode können wir also hoffen, einen großen Schritt gemacht zu haben für ein Verständnis, wie biologische Vielfalt entstanden sein könnte. Das war ein Aspekt.

Krauter: Könnte es denn auch ganz praktische Anwendungen geben?

Misof: Genau, die praktischen Anwendungen sind natürlich vielfältig. Mit den Daten, die wir hier produziert haben, kann man natürlich nicht nur Stammbäume rekonstruieren, man kann nach bestimmten Genen suchen, die bestimmte Insektengruppen gemeinsam haben und herausfinden, wie könnte ich diese Gene nutzen, zum Beispiel in genmanipulierten Tieren, um bestimmte Eigenschaften hervor zu holen. Wir können auch verstehen, wieso bestimmte Ressourcen, die unser tägliches Leben beeinflussen, letztendlich auch im Zusammenhang stehen mit Informationen, mit physiologischen Eigenschaften von Insekten. Was ich damit andeuten möchte ist, dass diese Daten, die wir auch in ihrer Vollständigkeit, der wissenschaftlichen Vollständigkeit, zur Verfügung stellen, wahrscheinlich eine Flut von neuen Analysen auslösen werden zur Evolution einzelner Gene, zu Funktion einzelner Gene und letztendlich auch zur Analyse des Zusammenhangs zwischen Insekten, Pflanzen, Ökosystemen und unsere natürlichen Ressourcen.

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