Experimentelle Populationsgenomik der lokalen Adaptation von Chironomus riparius

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Hankeln; Dr. Carsten Nowak; Professor Dr. Markus Pfenninger
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen ; Evolution, Anthropologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240537071

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es, die Orte und Regionen im Genom der Harlekinzuckmücke Chironomus riparius zu identifizieren, die es den unterschiedlichen Populationen entlang eines europäischen Klimagradienten ermöglichen, sich an die jeweiligen Umstände anzupassen. Angesichts des Klimawandels sind entsprechende Untersuchungen von solchen ökologisch bedeutenden Arten wichtig, um deren Anpassungsfähigkeit unter den veränderten Umständen abzuschätzen. Dies ist mit der Hilfe von Versuchen und der vergleichenden Analyse von ganzen Populationsgenomen auch gelungen. Ein wichtiges Ergebnis war, dass es nicht nur einige, wenige „Klimagene“ gibt, sondern eine lokale Anpassung viele Gene mit vielen verschiedenen biologischen Funktionen umfasst. Eine weitere wichtige neue Erkenntnis war, dass C. riparius als Art mit der Möglichkeit mehrere Generationen pro Jahr hervorzubringen aufgrund der unterschiedlichen Temperaturverhältnisse unterschiedlich schnell evolvieren. Da eine höhere Temperatur sämtliche Stoffwechsel- und Entwicklungsprozesse schneller ablaufen lässt, gibt es pro Jahr in Südspanien fast dreimal so viele Generationen wie in Hessen. Dies ist möglicherweise u.a. die Ursache für das überraschende Ergebnis, dass es trotz eines erheblichen Aufwandes zur Feststellung der herrschenden Randbedingungen und relevanten Parameter nicht möglich war, das Standardmodell der Populationsgenetik an die beobachteten Daten anzupassen. Eine weitere überraschende Erkenntnis war, dass die untersuchten Populationen trotz einer insgesamt sehr geringen Unterschiedlichkeit auf genomischer Ebene erste Anzeichen von Hindernissen bei der unbeschränkten Kreuzbarkeit zeigten. Es konnte plausibel gemacht werden, dass dieser Effekt zumindest teilweise auf einer in den jeweiligen Populationen unterschiedlichen Fixierung von sog. Springenden Genen zurückzuführen ist. Dies war wahrscheinlich auch die Ursache für ein weitgehendes Ausbleiben der Anpassung von gemischten Populationen an hohe und niedrige Temperaturen. Es wurde im Gegenteil eine Verschlechterung der Fitness beobachtet. Letzteres zeigt, dass die aktive Verbringung von vermeintlich besser an den Klimawandel angepassten Individuen ggf. kritisch zu sehen ist und der sorgfältigen Abwägung bedarf. Eine Pressemeldung zur Publikation der unterschiedlichen Evolutionsgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Klimazonen hat ein gutes Echo in der nationalen und internationalen Presse gefunden und führte zu einem TV-Interview des Hessischen Rundfunks.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2016) Support for the evolutionary speed hypothesis from intraspecific population genetic data in the non-biting midge Chironomus riparius. Proceedings of the Royal Society of London, Series B Biological Sciences 283
  Oppold AM, Pedrosa J, Diogo J, Balint M, Pfenninger M
  
• (2017) Estimating the spontaneous mutation rate by short term mutation accumulation in Chironomus riparius. Evolution Letters
  Oppold AM, Pfenninger M
  
• Chironomus riparius (Diptera) genome sequencing reveals the impact of minisatellite transposable elements on population divergence. Molecular Ecology
  Oppold AM, Schmidt H, Rose M, Hellmann SL, Dolze F, Ripp F, Weich B, Schmitt-Ott U, Schmidt E, Kofler R, Hankeln T, Pfenninger M