Genetische, chemische und verhaltensbiologische Untersuchung zur Evolution von sexuellen Signalen in parasitoiden Wespen

• Antragsteller: Dr. Jan Büllesbach
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen ; Evolution, Anthropologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427879779

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Divergenz von Arten- und geschlechtsspezifischen Pheromonmischungen und ihr Einfluss auf das Fortpflanzungsverhalten können eine wesentliche Triebkraft der Speziation sein. Kutikuläre Kohlenwasserstoffe (‘CHCs‘) sind ein ausgezeichnetes Beispiel dafür, da sie eine Vielzahl von verschiedenen chemischen Informationen kodieren und übermitteln können, die hauptsächlich in der sexuellen und artenspezifischen chemischen Kommunikation verwendet werden. Allerdings war es lange Zeit notorisch schwierig, biologisch relevante Informationen aus komplexen chemischen Profilen zu entschlüsseln. Ebenso ist unser Wissen über die genetische Grundlage der CHC Biosynthese begrenzt und basiert fast ausschliesslich auf dem Insekten Modellorganismus Drosophila melanogaster. Die im Rahmen des bewilligten Forschungsantrags durchgeführten Studien wurden konzipiert, um diese Wissenslücken zu schliessen mit Hilfe des orherrschenden Modellorganismen für parasitoide Wespen, der Nasonia Artenkomplex. Nasonia Weibchen verwenden komplexe CHC Profile als Sexualpheromone, um Balz- und Kopulations-Verhalten in Männchen hervorzurufen. Wir haben spezifische Methylverzweigungsmuster aufgedeckt, die die sexuelle Attraktivität bei weiblichen Wespen vermitteln und für die Funktionalität in der sexuellen Kommunikation hauptsächlich verantwortlich sind. Dies gelang uns, indem wir drei Fettsäuresynthase Gene ( ‘fas‘) funktionell charakterisierten, die hauptsächlich für die Biosynthese der methylverzweigten Kohlenwasserstoffe verantwortlich sind und die Integrität der CHC-Profile über einem Erkennungsschwellenwert für die Männchen aufrechterhalten. Dies trägt wesentlich zu unserem genrellen Verständnis bei, wie genetische Informationen in biologisch relevante chemische Informationen übersetzt werden können, und zeigt, dass sexuelle Attraktivität eine vergleichsweise einfache genetische Grundlage haben kann. Darüber hinaus verfolgten wir einen umfassenden, ergänzenden ‘forward genomic‘ Ansatz, um genetische loci zu identifizieren, die artenspezifische Partnerpräferenzen zwischen verschiedenen Nasonia- Arten codieren. Unter Nutzung ihrer haplodiploiden Geschlechtsbestimmung und der Kreuzungsfruchtbarkeit zwischen Arten haben wir ‘quantitative trait loci‘ (QTL) für CHC- Variation bei rekombinanten F2 Hybridmännchen aus Nasonia-Artenkreuzungen kartiert, die auch verwendet wurden, um genetisch identische Töchter zu erzeugen (‘clonal female sibships‘), deren genetische Variation ausschließlich von den jeweiligen Vätern stammt. Somit war es uns möglich, haploide Genetik zur Kartierung der phänotypischen CHC Variation bei den diploiden Weibchen durchzuführen, um dominante/rezessive Effekte zu umgehen, und entdeckten mehrere genomische ‘Hotspots‘, die für die weibliche CHC Variation zwischen den verschiedenen Nasonia Arten verantwortlich sind. Wir konnten auch mehrere methylverzweigte CHCs charakterisiern, die entweder positiv oder negativ mit der artenspezifischen Partnerpräferenz der Wildtyp Männchen korrelierten. All diese Forschungsprojekte deuten interessanterweise darauf hin, dass die wenig untersuchten methylverzweigten Alkane als die Hauptkodierungskomponenten fungieren, die die die chemische Informationen in diesen CHC Profilen vermitteln. Über diese wertvollen Erkenntnisse für die evolutionäre chemische Ökologie, die präzygotische reproduktive Isolation und die Genetik hinausgehend, haben diese Ergebnisse über die genauen Mechanismen hinter dem komplexen Paarungssystem dieses prominenten parasitären Modellorganismus erhebliches Potenzial, seine Haltungsbedingungen und Nachhaltigkeit für das integrierte Schädlingsmanagement zu optimieren. Diese vielversprechende, umweltfreundliche Alternative zum weit verbreiteten Einsatz von destruktiven und die Biodiversität reduzierenden Pestiziden stellt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einer nachhaltigeren, auf die menschliche Gesundheit ausgerichteten und umweltfreundlicheren Landwirtschaft dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Advances in deciphering the genetic basis of insect cuticular hydrocarbon biosynthesis and variation. Heredity, 126(2), 219-234.
  Holze, Henrietta; Schrader, Lukas & Buellesbach, Jan
  
• Genetic and genomic architecture of species-specific cuticular hydrocarbon variation in parasitoid wasps. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 289.
  Buellesbach, Jan; Holze, Henrietta; Schrader, Lukas; Liebig, Jürgen; Schmitt, Thomas; Gadau, Juergen & Niehuis, Oliver
  
• Neglected Very Long-Chain Hydrocarbons and the Incorporation of Body Surface Area Metrics Reveal Novel Perspectives for Cuticular Profile Analysis in Insects. Insects, 13(1), 83.
  Golian, Marek; Bien, Tanja; Schmelzle, Sebastian; Esparza-Mora, Margy Alejandra; McMahon, Dino Peter; Dreisewerd, Klaus & Buellesbach, Jan
  
• Chemical and population genetic analysis show no evidence of ecotype formation in a European population of the parasitoid wasp Nasonia vitripennis. Frontiers in Ecology and Evolution, 11.
  Buellesbach, Jan; Lammers, Mark; van de Belt, José & Pannebakker, Bart A.
  
• Decoding the genetic and chemical basis of sexual attractiveness in parasitic wasps. eLife, 12.
  Sun, Weizhao; Lange, Michelle Ina; Gadau, Jürgen & Buellesbach, Jan