Evolution von Asexualität bei Rädertierpopulationen

Die meisten vielzelligen Organismen vermehren sich sexuell, trotz der hohen Kosten dieser Reproduktionsweise (Produktion von Männchen, Kosten der Meiose, Kosten im Zusammenhang mit Partnersuche und Paarung). Dieses "Paradox der sexuellen Reproduktion" stand im Zentrum vieler empirischer und theoretischer Studien der vergangenen Jahre. Dennoch gibt es bislang keine einzelne und allgemeingültige Erklärung für dieses Phänomen. Erklärungsansätze zum "Paradox der sexuellen Reproduktion" werden vor allem durch solche Organismen in Frage gestellt, welche häufig obligat asexuelle Abkömmlinge erzeugen. Diese Organismen leben ständig in der Gefahr, von ihren asexuellen Abkömmlingen verdrängt zu werden. Daher stellt sich die Frage: was hält letztendlich diese neu erzeugten Asexuellen in Schach? Im diesem Projekt soll diese Frage anhand des monogononten Rädertieres Brachionus calyciflorus bearbeitet werden. Die Besonderheit von Brachionus gegenüber bisherigen Modellsystemen ist, dass die Frage mit Hilfe eines experimentellen Ansatzes untersucht werden kann: Rädertiere verfügen über sehr kurze Generationszeiten (wenige Tage), sie vermehren sich schnell und Übergänge zu rein asexueller Reproduktion können im Verlauf von nur wenigen Wochen stattfinden. Außerdem lassen sich Rädertiere leicht in einer Anzahl von Tausenden von Individuen im Labor kultivieren, was es ermöglicht, evolutive Veränderungen bei Populationen direkt nachzuvollziehen. In diesem Projekt sollen im Wesentlichen drei Fragen beantwortet werden: (i) Welche Mechanismen sind für den Übergang zur rein asexuellen Reproduktion bei Brachionus verantwortlich? (ii) Wie lebensfähig sind die asexuellen Abkömmlinge im Vergleich zu ihren sexuellen Verwandten - unter welchen Bedingungen können sie Letztere verdrängen bzw. durch Letztere verdrängt werden? (iii) Spielen obligat asexuelle Tiere im Freiland eine Rolle? Dieses Projekt umfasst eine Vielzahl von Methoden, u.a. Labor- und Freilandexperimente, molekulare Analysen (DNA Barcoding, Mikrosatelliten), Karyologie und automatisch gesteuerte Laborkulturen (Chemostaten). Die erwarteten Resultate des Projekts werden zu einem besseren Verständnis des "Paradox der sexuellen Reproduktion" beitragen, insbesondere hinsichtlich der Faktoren, welche die Ausbreitung/Extinktion asexueller Linien beeinflussen. Außerdem liefern die erwarteten Resultate vermutlich Einblicke in die Entstehung obligater Asexualität bei bdelloiden Rädertieren, einer nahe verwandten Gruppe die sich seit Millionen von Jahren rein asexuell fortpflanzt.

Das sogenannte Paradoxon der sexuellen Reproduktion ist eines der wichtigsten ungelösten Probleme in der Evolutionsforschung. Es besagt, dass sich die allermeisten mehrzelligen Organismen - trotz hoher Kosten - durch sexuelle Reproduktion vermehren. Beispiele für solche Kosten sind der Aufwand durch die Produktion männlicher Nachkommen, die Kosten der Durchmischung des mütterlichen Genoms beim Sex, oder Kosten die mit Partnersuche oder Paarung verbunden sind. Einen besonders interessanten Sonderfall stellen deshalb Organismen dar, die auf natürliche Weise immer wieder asexuelle Vertreter erzeugen. Bei solchen Organismen sollte man erwarten, dass häufig asexuelle Invasionen stattfinden, wobei asexuelle Linien die sexuellen Individuen verdrängen. In diesem Projekt wurde dieses Problem anhand des Rädertiers Brachionus calyciflorus untersucht.Normalerweise reproduzieren sich Brachionus Rädertiere mittels zyklischer Parthenogenese (CP), einer Mischung aus sexueller und asexueller Reproduktion. Allerdings treten immer wieder Individuen mit obligater Parthenogenese (OP) auf, die die Fähigkeit zur sexuellen Reproduktion komplett verloren haben. Über den genauen Mechanismus dieses Übergangs zur asexuellen Reproduktion war bisher noch nichts bekannt. In diesem Projekt konnte nun erstmalig gezeigt werden, dass OP bei Brachionus durch eine Veränderung an nur einem Genort bewirkt wird. Individuen mit zwei Kopien der sogenannten op-Mutation waren obligate Parthenogeneten, wohingegen alle Besitzer mit mindestens einer gesunden Kopie sich noch sexuell reproduzieren konnten. Im Projekt konnte durch mathematische Modelle und Laborexperimente gezeigt werden, dass OP Mutanten manchmal innerhalb von wenigen Tagen ganze Populationen ihrer sexuellen Verwandten verdrängen können. Die Kosten der sexuellen Reproduktion scheinen bei Brachionus Rädertieren demnach sehr hoch zu sein. OP Mutanten unterschieden sich zudem in anderen Eigenschaften von Ihren sexuellen Verwandten: Sie zeigten einen oft charakteristischen Zwergenwuchs, sie neigten zu schnellem, nahezu ungebremsten Populationswachstum und tendierten zu extrem hohen Populationsdichten sowie einer Überweidung ihrer Nahrungsressourcen. Über längere Zeiträume gesehen waren OP Populationen wesentlich instabiler als CP Populationen, sie brachen im Falle einer Überweidung stärker zusammen. Da OP-Mutanten außerdem die Fähigkeit der Dauerei-Produktion verloren haben (eine indirekte Konsequenz der Asexualität), konnten sich einmal ausgestorbene Populationen nicht zu einem späteren Zeitpunkt durch geschlüpfte Jungtiere regenerieren.Die Ergebnisse dieses Projekts bestätigen im Wesentlichen dass asexuelle Reproduktion zwar durchaus kurzfristige Vorteile bieten kann, jedoch langfristig in eine Sackgasse führt. Das in diesem Projekt etablierte Modellsystem soll in der Zukunft dazu genützt werden, andere bisher noch nicht ausreichend untersuchte Hypothesen zu den Vorteilen von sexueller Reproduktion zu testen. Außerdem eignen sich OP und CP Individuen hervorragend als Modellsystem zur Aufklärung der molekulargenetischen Mechanismen sexueller und asexueller Reproduktion.