Ein sich verändernder Planet bedroht viele Arten, darunter auch Hummeln – weltweit wichtige Bestäuber in natürlichen Ökosystemen und in der landwirtschaftlichen Nahrungsmittelproduktion. Um die genetischen Variationen und Anpassungen, die ihrer vielfältigen Ökologie und ihrem Verhalten zugrunde liegen, besser zu verstehen, hat ein internationales Team unter der Leitung von SIB-Forschern der Universität Lausanne die Genome von 17 Hummelarten sequenziert. Diese erste genomweite Charakterisierung der Gattung Hummel eröffnet neue Möglichkeiten zum Schutz ihrer Biodiversität.
Hummel: Ökologische Champions in Gefahr
Hummeln gehören zur Gattung Bombus, einer Familie der Apidae, zu der auch Honigbienen, Hummeln, stachellose Bienen und viele andere gehören. Mit über 250 Arten sind Hummeln sofort als große, behaarte, flauschige Bienen zu erkennen und gelten neben den anderen über 5.000 Bienenarten weltweit als wichtige ökologische Akteure bei der Bestäubung von Pflanzen, die für die weltweite Nahrungsversorgung von entscheidender Bedeutung sind. Dennoch hat eine Reihe miteinander verbundener Ursachen, darunter die Zerstörung von Lebensräumen, der intensive Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft, die globale Erwärmung und die Übertragung von Krankheitserregern, erheblich zum Rückgang der einheimischen Hummelpopulationen weltweit beigetragen.
Internationale Zusammenarbeit zur Kartierung der genetischen Variation von Hummeln
Ein internationales Team mit Partnern aus China, Großbritannien, den USA, Russland, Italien und Deutschland unter der gemeinsamen Leitung von Robert Waterhouse, Leiter der SIB-Gruppe , sequenzierte und analysierte 17 Hummelarten, die alle 15 Untergruppen der Gattung Bombus repräsentieren . „Unsere Arbeit liefert hochwertige genomische Ressourcen, die die natürlichen genetischen und phänotypischen Variationen von Hummeln erfassen und damit neue Möglichkeiten zur Nutzung und zum Schutz ihrer Vielfalt eröffnen“, erklärt Waterhouse. Die groß angelegte Vergleichsstudie, die in der Fachzeitschrift Molecular Biology and Evolution veröffentlicht und als Forschungshighlight in Nature Reviews Genetics vorgestellt wurde , liefert die erste genussweite Quantifizierung der genetischen und genomischen Vielfalt, die möglicherweise mit wichtigen ökologischen und verhaltensbezogenen Merkmalen von Hummeln zusammenhängt.
Anzeichen genetischer Anpassungen in Verbindung mit Lebensweise, Ernährung, Verhalten und Umwelt
Neben der Untersuchung der Diversität nutzte das Team die SIB SwissOrthology -Ressourcen BUSCO und OrthoDB, um die genomische Evolution zu charakterisieren, indem es „äquivalente” Gene zwischen verschiedenen Arten identifizierte (siehe „Die Wissenschaft des Genomvergleichs”). Dabei wurden mehrere interessante genetische Merkmale entdeckt, die auf Anpassungen an die Erkennung von Blüten, an das Leben in großen Höhen und an die Suche nach Nahrung über große Entfernungen hindeuten. Interessanterweise fand die Studie auch heraus, dass Hummeln im Vergleich zu vielen anderen Insekten weniger Gene haben, die an der Entgiftung von Pestiziden oder der Abwehr von Krankheitserregern beteiligt sind. Solche Unterschiede könnten Forschern helfen zu verstehen, warum manche Arten besser als andere in der Lage sind, Giftstoffe oder Krankheiten zu tolerieren oder zu eliminieren.
Die Wissenschaft des Genomvergleichs
Die Genome der heute lebenden Arten wurden über Millionen von Jahren der Evolution von ihren Vorfahren vererbt. Durch den Vergleich zwischen verschiedenen Arten können Wissenschaftler eine Reihe von evolutionären Merkmalen aufdecken, wie beispielsweise das Alter eines Gens (wann und in welcher Art das Gen zum ersten Mal aufgetreten ist), seine Evolutionsrate (wie schnell sich die Proteinsequenz des Gens verändert) und seine Artenbreite (von wie vielen Arten ein Gen geteilt wird). Livio Ruzzante erklärt: „In der vergleichenden Genomik wollen wir insbesondere orthologe Gene zwischen verschiedenen Arten identifizieren: Diese ‚äquivalenten‘ Gene haben sich aus demselben ursprünglichen Gen ihres letzten gemeinsamen Vorfahren entwickelt und haben in den meisten Fällen dieselben oder ähnliche Funktionen.“ Livius Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung computergestützter Ansätze zur Quantifizierung solcher Veränderungen für alle identifizierbaren orthologen Gene einer beliebigen Artengruppe, um so eine Reihe von evolutionären Merkmalen zu definieren, die anschließend gemessen oder abgeleitet werden können. Gene mit den variabelsten Merkmalen sind wahrscheinlich zumindest teilweise für die beobachtete ökologische und verhaltensbezogene Vielfalt zwischen den Arten verantwortlich.
Der Fall der Kuckuckshummeln
Kuckuckshummeln haben keine Arbeiterinnen und übernehmen stattdessen soziale Hummelkolonien, indem sie deren Königin entthronen. Aufgrund dieses atypischen Verhaltens ging man lange Zeit davon aus, dass sie nur entfernt mit Hummeln verwandt sind. Die Ergebnisse des Teams zeigen jedoch, dass Kuckuckshummeln echte Mitglieder der Gattung Bombus sind. Interessanterweise scheint sich ihre Verhaltensbesonderheit auch in ihrem Genom widerzuspiegeln: Kuckuckshummeln scheinen mehrere Gene verloren zu haben, die für Geruchssinn-Proteine kodieren. Da die Art die Arbeiterinnen ihrer Wirtskolonie versklavt, um Pollen zu sammeln und ihre Brut aufzuziehen, benötigen sie diese Art von Proteinen möglicherweise nicht mehr. „Solche Geruchsproteine, auch Geruchsrezeptoren genannt, gehörten tatsächlich zu den sich am dynamischsten entwickelnden Genfamilien aller Arten“, erklärt SIB-Mitglied Livio Ruzzante. Die Entwicklung computergestützter Methoden zur Quantifizierung solcher evolutionären Merkmale steht im Mittelpunkt von Ruzzantes Doktorarbeit (siehe „Die Wissenschaft des Genomvergleichs“), deren Ziel es ist, Muster der Evolution von Genfamilien mit den von ihnen ausgeübten biologischen Funktionen in Verbindung zu bringen.
Die Studie liefert Forschern eine Grundlage, um besser zu verstehen, wie sich der vermehrte Einsatz von Monokulturen und Pestiziden in der modernen Landwirtschaft sowie Klimaveränderungen auf die Biodiversität von Hummeln auswirken, was wiederum die Forschung und Anwendungen im Bereich der integrativen landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und der Erhaltung oder Wiederherstellung von Ökosystemen vorantreiben könnte.
Reference(s)
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