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Genübertragung: Bakterium pflanzt sich in Wespen-Genom

Erzwespen sind Parasiten, die ihre Eier in die Larven von Fliegen injizieren. Dass ihr Erbgut selbst von Parasiten verändert wurde, hat ein internationales Forscherteam jetzt herausgefunden. <ic:message key='Bild vergrößern' />
Erzwespen sind Parasiten, die ihre Eier in die Larven von Fliegen injizieren. Dass ihr Erbgut selbst von Parasiten verändert wurde, hat ein internationales Forscherteam jetzt herausgefunden. Quelle: M. Homann / FU Berlin

15.01.2010  - 

Auf den ersten Blick sind Erzwespen keine besonders sympathischen Tiere. Sie legen ihre Eier in wehrlose Fliegenlarven, die den Wespennachkommen als lebendes Büffet dienen. Doch auf den zweiten Blick sind sie deshalb gesuchte Schädlingsbekämpfer. Wie jetzt ein internationales Forscherteam unter Beteiligung mehrerer deutscher Gruppen im Fachblatt Science (Bd. 327. 2010, Ausg. 5963, S. 343-348) berichtet, besitzt aber auch die Erzwespe selbst eine intime Verbindung mit einem Parasiten. Im Wespen-Erbgut fanden die Wissenschaftler das Gen des Bakteriums Wolbachia, das dort vor langer Zeit eingebaut wurde. Das ist für Evolutionsbiologen hochinteressant. Landwirte dürften sich darüber freuen, dass das Wissen über das Erbgut dazu führen könnte, dass Erzwespen künftig eine größere Bandbreite an Schädlingen befallen.



Erzwespen können tatsächlich auf einem Stecknadelkopf tanzen. Selbst in ausgewachsenem Zustand werden sie nur wenige Millimeter groß. Trotzdem können die Winzlinge für viel größere Tiere zu einer tödlichen Bedrohung werden. Denn Erzwespen sind Parasiten. Ein weibliches Tier legt 40-50 Eier in Fliegen, die sich gerade verpuppt haben. Die Wespennachkommen ernähren sich während ihrer Entwicklung dann von der Fliege, die mit einigen Tricks möglichst lange am Leben erhalten wird. Irgendwann aber stirbt der Wirt. Da Erzwespen auch einige Schädlinge auf diese Weise befallen, sind sie ein wichtiges Instrument der nachhaltigen Landwirtschaft geworden.

Eine Karte der fünf Chromosomen der Erzwespe, in der die Dichteverteilung von sinnvoll codierten Abschnitten und bereits bekannte Gene eingetragen sind.Lightbox-Link
Eine Karte der fünf Chromosomen der Erzwespe, in der die Dichteverteilung von sinnvoll codierten Abschnitten und bereits bekannte Gene eingetragen sind.Quelle: The Nasiona Genome Working Group

Genom von drei Erzwespen-Arten entschlüsselt

Allerdings stehen nur wenige Schädlinge auf dem Speiseplan der raffinierten Winzlinge. Wissenschaftler und Landwirte liebäugeln schon länger damit, weitere Schädlinge zu dieser Liste hinzuzufügen, indem der Geschmack der Wespen gentechnisch erweitert wird. Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist jetzt einem internationalen Forscherteam gelungen. Unter der Beteiligung von neun deutschen Arbeitsgruppen haben Wissenschaftler das Genom von drei Arten der Erzwespen-Gattung Nasonia entschlüsselt: Nasonia vitripennis, N. giraulti, and N. longicornis. "Das bereits aufgearbeitete Genom von Nasonia steht jetzt zur Verfügung", sagt Reinhard Predel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der an dem Projekt beteiligt war.

Bis die Karte der fünf Nasonia-Chromosomen erstellt werden konnte, war viel Detailarbeit notwendig. Der Zoologe Predel und seine Kollegin Susanne Neupert waren dabei gar nicht an der Entschlüsselung der Gensequenzen selbst beteiligt. Ihr Verdienst liegt in der Überprüfung der Annahmen der Genetiker. Die Jenaer Neuropeptid-Experten überprüften, ob die identifizierten Gene tatsächlich das taten, was die Forscher vermuteten. "Wir schauen in die Tiere hinein, ob die vorausgesagten Endprodukte wie zum Beispiel ein Hormon tatsächlich vorkommen", sagt Predel. Die Konzentration der einzelnen Genprodukte ist in den kleinen Tieren sehr gering und deshalb schwer nachzuweisen.

In Jena wurden die Wespen auf Hormone und Eiweiße untersucht, die in ihnen vorkommen.Lightbox-Link
In Jena wurden die Wespen auf Hormone und Eiweiße untersucht, die in ihnen vorkommen.Quelle: Anne Günther/Friedrich-Schiller-Universität Jena

Um die entsprechenden massenspektrometrischen Untersuchungen durchführen zu können, mussten die Jenaer Wissenschaftler dem Gehirn der winzigen Wespen hormonproduzierende Zellgruppen entnehmen - eine Präparation zwischen Herzschlägen, denn "die Miniaturisierung ist extrem", wie Predel beschreibt. Trotz mancher frustrierender Momente - "wir haben das Tier nicht wirklich geliebt", gesteht der Forscher, konnten zahlreiche Neuropeptide identifiziert und ihre mögliche Wirkung auf das Verhalten abgeschätzt werden.

Der Parasit des Parasiten: Wolbachia

Die Entschlüsselung des Nasonia-Erbguts ist eine Premiere. "Mit dieser Arbeit sind die Genome der ersten parasitischen Insekten bestimmt worden", so Predel. Die Nasonia-Vertreter gehören zu über 100.000 parasitischen Wespenarten, die für die menschliche Gesellschaft von potenziellem Nutzen sein könnten. Um jedoch den kleinen Schädlingsbekämpfer eventuell einmal gentechnisch optimieren zu können, müssten laut Predel "sicher noch einige verwandte Arten sequenziert werden". Die Forscher interessiert dabei besonders, welche Gene für die parasitische Lebensweise besonders wichtig sind und wie sie möglicherweise gesteuert werden können.

Internationale Zusammenarbeit

An der Entschlüsselung des Erzwespen-Genoms waren neun molekularbiologische Arbeitsgruppen beteiligt, die aus dem ganzen Bundesgebiet stammen:

RWTH Aachen

HU Berlin

Universität Freiburg

Universität Göttingen

EMBL Heidelberg

Universität Jena

Universität Köln

Universität Münster

Universität Würzburg

Doch schon jetzt ermöglicht das Erzwespen-Erbgut tiefe Einblicke in das Wechselspiel zwischen Parasit und Wirt. Nur unter umgekehrten Vorzeichen. Diesmal ist die Erzwespe der Wirt und das Bakterium Wolbachia der Parasit. Wolbachia lebt als Nutznießer im Körper zahlreicher Insektenarten. Die Nachkommen der Bakterien werden über Eizellen der Wirte weitergegeben und infizieren so deren Nachwuchs. Doch Wolbachia begnügt sich nicht mit einer passiven Rolle. „Wolbachia manipuliert Insekten und andere Gliedertiere im großen Stil", sagt Arndt Telschow vom Institut für Evolution und Biodiversität der Universität Münster. „Damit es sich selbst optimal vermehrt, beeinflusst Wolbachia die Fortpflanzung seiner Wirte mit unterschiedlichen Methoden. So tötet es bei vielen Arten gezielt alle männlichen Nachkommen."

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Bei Erzwespen verändert Wolbachia die Spermien derart, dass Eizellen, die nicht mit Bakterien infiziert sind, nach der Befruchtung absterben. Forscher haben beobachtet, dass von Wolbachia befallene Wespen sich mit eng verwandten Arten nicht fortpflanzen können. „Tötet man die Bakterien mit einem Antibiotikum ab, klappt die Fortpflanzung dagegen problemlos", so Bornberg-Bauer. „Hier sehen wir, dass Wolbachia auch die Entstehung von Arten beeinflusst."

Auf den Chromosomen der Erzwespen entdeckten die Wissenschaftler nun ein Gen, dass vom Bakterium stammt. Es ist dort fest eingebaut und wird immer wieder an die Nachkommen weitergegeben. Welche Funktion es genau hat, können die Wissenschaftler noch nicht sagen. Doch aus evolutionsbiologischer Sicht ist der Fund hochinteressant, betont Predels Kollege Erich Bornberg-Bauer. "Dies ist einer der ersten Fälle, wo wir nachweisen konnten, welches Erbgut vom Parasit auf den Wirt übertragen wurde." Nach Vermutung des Forscher könnte das Gen dazu beitragen, dass sich Wolbachia optimal in der Erzwespe vermehren kann. Zudem ist das Wolbachia-Gen "ein schönes Beispiel dafür, welch verschlungene Pfade die Evolution gehen kann", sagt Telschow. Denn der besagte DNA-Abschnitt stammt eigentlich von Pockenviren und wurde vor langer Zeit auf das Bakterium übertragen. „Wir wissen, dass dieses Gen den Pockenviren hilft, das Immunsystem ihrer Wirte zu ihren Gunsten zu verändern", sagt Bornberg-Bauer. Wolbachia hat das nützliche Gen wiederum vor einigen Millionen Jahren an die Wespe übertragen. Wie das geschehen ist, ist noch unklar. Ein derartiger Sprung von einem Einzeller auf ein komplexes Lebewesen wie die Wespe sei sehr selten, meint Bornberg-Bauer. Das es möglich ist, beweisen die jetzt vorgestellten Ergebnisse des Genomscreenings.

 

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