Joint-X: Untersuchung der Rolle der coxa-trochanteralen Gelenke in der Käfer-Evolution mithilfe quantitativer Synchrotron-Röntgenmikrotomographie und (semi-)automatischer Bildanalyse

• Antragsteller: Dr. Thomas van de Kamp
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518779777

Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation haben die molekulare Phylogenetik revolutioniert und dazu beigetragen, die Evolutionsgeschichte vieler Insektengruppen zu entschlüsseln. Eine große Herausforderung bleibt jedoch die Korrelation von molekularen und morphologischen Daten, die eine Rekonstruktion der Evolution morphologischer Merkmale ermöglicht. Der Fülle an genetischen Daten, die in den letzten Jahren gesammelt wurden, stehen bisher kaum vergleichbare morphologische 3D-Informationen gegenüber, und die immensen morphologischen Daten, die z. B. in Museumssammlungen vorhanden sind, bleiben weitgehend unerforscht. Moderne 3D-Bildgebungsverfahren wie die Röntgenmikrotomographie können völlig neue Einblicke in die Morphologie von Insekten liefern, aber die meisten Röntgenuntersuchungen an Insekten basieren auf einer sehr begrenzten Anzahl von Exemplaren. Mittels Synchrotron-Röntgenmikrotomographie entdeckten wir im Jahr 2011, dass die coxa-trochanteralen-Gelenke von Rüsselkäfern Schraube-Mutter-Systemen ähneln. Damals waren Scan und Datenanalyse noch sehr zeitaufwändig, was eine systematische Studie an einer großen Probenserie verhinderte. Da die jüngsten Fortschritte in der Hochdurchsatz-Röntgenbildgebung und Bildanalyse umfangreiche Digitalisierungen der 3D-Morphologie von Insekten ermöglichen, verfügen wir nun über die Voraussetzungen für eine umfassende Studie zur Evolution der coxa-trochanteralen Gelenke innerhalb der Käfer. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts Joint-X werden wir uns dieser Herausforderung stellen, indem wir modernste quantitative Synchrotron-Röntgenmikrotomographie, (halb-)automatische Bildsegmentierung und künstliche neuronale Netze einsetzen. Der Einsatz von geometric morphometrics und phylogenetisch komparativer Methoden (PCMs) wird die Korrelation hunderter morphologischer 3D-Datensätze mit phylogenetischen Stammbäumen ermöglichen und es erlauben, Schlüsselereignisse der Evolution zu identifizieren und die Wandlung vom einfachen Scharniergelenk der Adephaga zu einem der einzigartigen morphologischen Merkmale der Käfer - der "biologischen Schraube" - nachzuvollziehen. Wir werden die wichtigsten Muster der Gelenkevolution innerhalb der Ordnung beschreiben, Variationen des Schraubengelenks innerhalb der Curculionidea analysieren, die Funktionalität der Gelenke charakterisieren und morphologische Daten mit molekularen und ökologischen Informationen korrelieren. Ein zweites Ergebnis dieses Projekts wird eine umfassende Sammlung morphologischer 3D-Datensätze von Käfern sein, die der Öffentlichkeit über ein Online-Repositorium zur Verfügung gestellt und wahrscheinlich die größte verfügbare Sammlung von 3D-Käferdaten darstellen wird. Diese Daten können von der wissenschaftlichen Gemeinschaft genutzt werden, um andere morphologische Merkmale zu untersuchen und mit anderen Daten zu korrelieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen