Wie ein umgedrehtes Supergen Schmetterlingen half, Mimikry zu entwickeln

Manche ungiftige Schmetterlingsarten ahmen das Muster, die Farbe und die Form der Flügel einer giftigen Art nach. Die ungiftigen Arten tarnen sich durch diese Flügelmustermimikry vor Fressfeinden. In einigen Schwalbenschwanzschmetterlingen reguliert eine einzige Region des Genoms diese Mimikry. Aufgrund der komplexen Formen dieser Mimikry nehmen Genetiker seit den 1960er an, dass diese Region “Supergene” enthält – mehrere eng verbundene Gene, die immer als Gruppe vererbt werden und die jeweils einen Teil des Flügelmusters steuern. (Das erinnert einen Genetiker an das Lac-Operon des Bakteriums E. coli.)

Um diese Supergene zu identifizieren und sequenzieren, untersuchten Marcus Kronforst von der Universität Chicago und sein Team von Biologen den Kleinen Mormon (Papilio polytes), einen asiatischen Schwalbenschwanz, der geschlechtsbegrenzte Mimikry zeigt: Weibchen besitzen eines von vier verschiedenen Flügelmustern, von denen drei giftige Arten imitieren, während die verbleibende weibliche Form und alle Männchen keine Mimikry zeigen.

Credit: By Dr Tarique Sani <tarique@sanisoft.com> [CC BY 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons Die weibliche Form romulus des Kleinen Mormon (Papilio polytes) ahmt die giftige Crimson Rose (Pachliopta hector) der Gattung Pachliopta nach.

Credit: By School of Ecology and Conservation [CC BY 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons Die Crimson Rose ist ein Schmetterling der indoaustralischen Faunenregion. Sein Verbreitungsgebiet ist auf Indien und Sri Lanka beschränkt. Der Schmetterling hat eine schwarze Grundfärbung mit weißen und roten Flecken. Carl von Linne war, der erste der diese Gattung 1758 beschrieb.

 

doublesex ist ein Mimikry-Supergen in asiatischen Schwalbenschwanzweibchen

In einem Fachartikel in Nature [1] zeigten die Forscher, dass nicht eine Gruppe von Supergenen, sondern ein einziges Gen namens doublesex, die verschiedenen Farbmuster und Formen der Flügel steuert. Bei den Weibchen, die keine Mimikry zeigen, hat doublesex die normale Ausrichtung auf dem Chromosom. Bei den Weibchen, die Mimikry zeigen, wurde doublesex ausgespleißt, umgedreht und dann wieder in das Chromosom gespleißt.

Diese Umkehrung verhindert, dass sich die beiden Versionen von doublesex rekombinieren, wenn sich diese beiden Arten von Schmetterlingen paaren. Deswegen haben sie beide Kopien des Gens behalten, nachdem sie sich vor zwei Millionen Jahren von ihrem gemeinsamen Vorfahren trennten. Seit dieser Umkehrung von doublesex sehen die Forscher Anzeichen für eine stabilisierende Selektion in diesen Schwalbenschwanzpopulationen: Wenn ein Schmetterlingstyp häufiger wird und die Räuber erkennen, dass er nicht giftig ist, fangen sie an ihn zu fressen. Das reduziert die Anzahl der Schmetterlinge dieses Typs, sodass ein anderer Typ häufiger wird, und so weiter. Letztendlich gleicht dieser Prozess die relative Anzahl jeder Form aus und behält diese bei.

Die Insektenkundler fanden heraus, dass im Kleinen Mormon doublesex auch alternativ in mehrere Isoformen gespleißt wird. Zwei Isoformen werden in den Flügeln von mimetischen Weibchen im Vergleich zu nicht-mimetischen Weibchen auf extrem hohen Niveaus exprimiert. Auf der Suche nach dem Doublesexprotein von der Raupe über die Puppe bis zum Schmetterling entdeckten die Forscher das die Expression von Doublesex genau mit dem Flügelmuster überlappt.

Die geografische Verbreitung der Flügelmustermimikry in asiatischen Schwalbenschwanzschmetterlingen

Hat sich die Flügelmustermimikry in einer Spezies entwickelt und dann durch Kreuzung oder Hybridisierung in verwandte Arten verbreitet? In einer neuen Studie [2], die in Nature Communcations publiziert wurde, analysierten die Wissenschaftler die genomischen DNA-Sequenzen des Kleinen Mormons und ähnlicher Arten, um zu sehen, wie diese Schmetterlinge miteinander verwandt sind. Zusätzlich verglichen sie die Versionen von doublesex dieser Arten miteinander. Wie hat sich diese Flügelmustermimikry über die Zeit entwickelt und geografisch verbreitet?

Der Spangle (Papilio protenor) ist mit dem Kleinen Mormon am engsten verwandt. Er ist von Indien bis Japan verbreitet und hat keine Mimikry entwickelt. Männchen und Weibchen sehen gleich aus. Andere Arten, die sich vom asiatischen Festland bis zu den Philippinen und Indonesien ausbreiteten, entwickelten drei oder vier verschiedene Formen, ein Populationsmerkmal, das als Polymorphismus bekannt ist. Manche Schwalbenschwänze breiteten sich weiter nach Papua-Neuguinea und der Nordostküste Australiens aus, aber deren Weibchen zeigen nur eine Form der Flügelmustermimikry.

Die Biologen sahen auch, dass einige Schmetterlingspopulationen seit Millionen von Jahren mehrere weibliche Formen beibehalten haben, während andere die ursprüngliche, nicht-mimetische Form verloren haben. Historisch gesehen haben die kleinsten Gruppen – z. B. diejenigen, die sich am weitesten nach Australien ausbreiteten – den Polymorphismus verloren. Populationsgenetiker vermuten, dass genetischer Drift und natürliche Selektion, die ursprüngliche Form ausmerzten.

Verursacht Flügelmustermimikry genetische Kosten in asiatischen Schwalbenschwanzweibchen?

Die Forscher untersuchten, welcher Faktor den Polymorphismus im Laufe der Zeit aufrechterhielt. Ein Faktor könnte die sexuelle Selektion sein: Männchen bevorzugen bestimmte weibliche Farbmuster gegenüber anderen. Frühere Forschungen zum Paarungsverhalten unterstützen diese Idee jedoch nicht. Eine andere Möglichkeit ist “Crypsis” oder die Idee, dass nicht-mimetische Weibchen besser mit ihrer natürlichen Umgebung verschmelzen als die mimetischen Weibchen. Die Wissenschaftler testeten diese Hypothese, indem sie mimetische und nicht-mimetische Weibchen mit einem grünen Waldhintergrund verglichen, wobei sie Modelle für das räuberische (d. h. Vogel-) Sehen verwendeten. Die nicht-mimetischen Weibchen fügen sich nicht mehr in den Hintergrund ein als die mimetischen, also wurde diese Idee auch verworfen.

Diese beiden Ergebnisse, kombiniert mit den genomischen Sequenzdaten, veranlassten die Wissenschaftler, über eine weitere interessante Möglichkeit nachzudenken: Es könnte sein, dass die genetischen Veränderungen, die in erster Linie zu Mimikry führten, auch einige langfristige Nachteile mit sich brachten. Als das ursprüngliche doublesex umgedreht wurde, trug es wahrscheinlich eine Menge anderes nicht verwandtes genetisches Material mit sich. Da das umgedrehte doublesex nicht mit seiner Originalversion rekombiniert werden kann, ist das Extrazeugs seither “per Anhalter” – und es könnte Konsequenzen haben. Tatsächlich zeigen einige Untersuchungen, dass mimetische Weibchen nicht so lang leben wie nicht-mimetische Weibchen. Die nicht-mimetischen Weibchen haben nicht den Schutz der Mimikry, aber sie haben auch nicht diese inhärenten genetischen Kosten und diese zwei Dinge, gleichen sich gegenseitig aus.

Jetzt, nachdem sie einen Teil der Geschichte hinter der Evolution dieser Mimikry entschlüsselt haben möchten die Wissenschaftler nach den spezifischen genetischen Mutationen in doublesex suchen, die verschiedene Arten dieser Mimikry verursachen.

Weiterführende Literatur

1. K. Kunte, W. Zhang, A. Tenger-Trolander, D. H. Palmer, A. Martin, R. D. Reed, S. P. Mullen, M. R. Kronforst. (2014) doublesex is a mimicry supergene. Nature, 507, 229–232.

2. Wei Zhang, Erica Westerman, Eyal Nitzany, Stephanie Palmer, Marcus R. Kronforst. Tracing the origin and evolution of supergene mimicry in butterflies. (2017) Nature Communications; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01370-1

Veröffentlicht von

Joe Dramiga ist Neurogenetiker und hat Biologie an der Universität Köln und am King’s College London studiert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Genexpression in einem Mausmodell für die Frontotemporale Demenz. Die Frontotemporale Demenz ist eine Erkrankung des Gehirns, die sowohl Ähnlichkeit mit Alzheimer als auch mit Parkinson hat. Kontakt: jdramiga [at] googlemail [dot] com

1 Kommentar Schreibe einen Kommentar

  1. Hallo Herr Dramiga,

    ich habe ihren Text aufmerksam und mit Interesse gelesen. Die These, dass eine Umkehrung des Supergens doublesex eine Menge nicht verwandtes Erbgut mit sich trägt und als genetische Kosten verbucht werden müssen, finde ich bemerkenswert. Nun sind die Forscher auf der Suche nach Mutationen von doublesex, die sogar verschiedene Arten der Mimikry verursachen. Hoffentlich berichten Sie uns davon.

    mit freundlichen Grüßen

    Heike Zimmermann

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