Schnelle Anpassung an saisonale Wärmeregime in Chironomus riparius
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als Teilprojekt des Schwerpunkprogrammes „Rapid Evolutionary Adaptation“ haben wir die Zuckmücke Chironomus riparius auf ihre Fähigkeit zur schnellen evolutionären Anpassungsfähigkeit untersucht. Diese Art hat in unseren Breiten bis zu zehn Generationen pro Jahr, die dem entsprechend in den unterschiedlichen Jahreszeiten sehr unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Mit Hilfe von genomischen Untersuchungen und Laborexperimenten haben wir untersucht, ob die Art sich von Generation zu Generation jeweils evolutionär an die dann herrschenden Selektionsdrücke anpasst, oder ob sie generell so tolerant ist, dass sie mit allen übers Jahr auftretenden Bedingungen zurechtkommt. Die Untersuchung der Freilandpopulation über mehrere Jahre hinweg hat gezeigt, dass die einzelnen Generationen sich tatsächlich schnell an die saisonalen Bedingungen anpassen. Auch im Labor konnten wir eine sehr schnelle Anpassung an neue Bedingungen nachweisen. Dies geschieht hauptsächlich durch eher geringe, zyklische Veränderungen der Häufigkeit von schon vorhandenen genetischen Varianten im gesamten Genom, die in ihrer Summe den durchschnittlichen Phänotyp an die saisonalen Selektionsdrücke anpassen. Die individuenbasierte Modellierung des Phänomens deutete an, dass die große Anzahl von Nachkommen (bis zu 800 pro Gelege) wesentlich für diese extrem schnelle Anpassungsfähigkeit verantwortlich sein könnte. Aber das Projekt förderte auch viele überraschende Ergebnisse zu Tage. So konnten wir eine bisher unbekannte, fortlaufende Hybridisierung der Art mit ihrer Schwesterart C. piger nachweisen. Das Besondere daran ist ihr offenbar saisonaler Ablauf: die meisten Paarungen mit der jeweils anderen Art finden wohl im Frühjahr statt, danach verschwinden die dadurch eingekreuzten Anteile im Laufe des Jahres zumindest aus Teilen des Genoms wieder. Diese Erkenntnis hat zu einem neuen Projekt geführt, in welchem wir nun die genomischen Konsequenzen dieser Hybridisierung untersuchen. Eine andere wichtige Erkenntnis ergab sich aus unserem Versuch, den thermischen Jahresverlauf im Labor nachzustellen, bzw. die Geschwindigkeit der Anpassung an verschiedene Temperaturregime zu untersuchen. Wie sich bei der Analyse der Daten herausstellte, gab es tatsächlich eine genomweite, schnelle Anpassung innerhalb weniger Generationen. Allerdings haben sich die experimentellen Populationen nicht an die unterschiedlichen Temperaturen angepasst, sondern an die allgemeinen Laborbedingungen, insbesondere die Wasserqualität. Diese trotz aller Vorsichtsmaßnahmen unvorhergesehene und unvorhersehbare Selektionswirkung des Labors zeigt, dass es schwierig bis unmöglich sein könnte, die evolutionäre Reaktion natürlicher Populationen auf bestimmte Umweltveränderungen im Labor nachzustellen. Insgesamt konnten wir in diesem Projekt zeigen, dass extrem schnelle evolutionäre Anpassung auch bei höheren Lebewesen unter natürlichen Bedingungen vorkommt, wenn die populationsgenetischen und demographischen Voraussetzungen gegeben sind. Das Projekt war Teil verschiedener outreach-Aktivitäten wie öffentlichen Vorträgen und als Station des HR-Info Adventskalenders.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019) The effect of offspring number on the adaptation speed of a polygenic trait. bioRxiv
Pfenninger M
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(2018). An experimental assessment of reproductive isolation and its consequences for seasonal hybridization dynamics. Biological Journal of the Linnean Society 126, 327-337
Foucault Q, Wieser A, Heumann-Kiesler C, Diogo J, Cocchiararo B, Nowak C, Waldvogel AM & Pfenninger M
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(2018). Rapid adaptation to high temperatures in Chironomus riparius. Ecology and Evolution, 8, 12780-12789
Foucault Q, Wieser A, Waldvogel AM, Feldmeyer B & Pfenninger M
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(2019) Genomic processes underlying rapid adaptation of a natural Chironomus riparius population to unintendedly applied experimental selection pressures. Molecular Ecology
Pfenninger M & Foucault Q
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(2019). Establishing laboratory cultures and performing ecological and evolutionary experiments with the emerging model species Chironomus riparius. Journal of Applied Entomology 143, 584-592
Foucault Q, Wieser A, Waldvogel AM & Pfenninger M
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(2019). Modelling seasonal dynamics, population stability, and pest control in Aedes japonicus japonicus (Diptera: Culicidae). Parasites & Vectors 12, 142
Wieser A, Reuss F, Niamir A, Müller R, O’Hara RB & Pfenninger M
