Die Evolution und Organisation nicht-kanonischer Geruchssysteme bei Ameisen und anderen Insekten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Hugo Darras, Ph.D.; Professorin Dr. Susanne Foitzik; Dr. Carlotta Martelli, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533391577

Geruchsrezeptoren (GRs) bilden die Hauptfamilie chemosensorischer Gene bei fast allen Insekten. Nach dem kanonischen Modell von Geruchsschaltkreisen wird in jedem Geruchsrezeptor-Neuron (GRN) ein einzelner GR exprimiert, der zu einem einzelnen GR-spezifischen Glomerulus im Gehirn projiziert. GRs sind sich schnell entwickelnde Genfamilien, die häufigen Expansionen und Kontraktionen unterworfen sind, um die Anpassung an unterschiedliche ökologische Bedingungen und die Evolution von Insektengesellschaften zu erleichtern. Dies stellt eine grundlegende Herausforderung für die Evolution der neuronalen Geruchskreisläufe dar, die parallel zur Evolution der GR-Genfamilien verlaufen sollte, um das kanonische Schema GR-GRN-Glomerulus aufrechtzuerhalten. Jüngste Studien an Ameisen und Stechmücken deuten darauf hin, dass dieses kanonische Modell möglicherweise nicht universell ist. Durch die Kombination von hirnanatomischen und Transkriptomanalysen haben wir gezeigt, dass Arbeiterinnen der Ameise Temnothorax longispinosus eine mehrfache Variation in der Anzahl der Glomeruli in ihren Antennenlappen aufweisen, obwohl sie fast alle GR-Gene in ihren Antennen exprimieren. Zusammen mit früheren Studien deutet dies darauf hin, dass es unterschiedliche Mechanismen für die Entwicklung von Geruchssystemen bei Ameisen gibt, und fügt mögliche Varianten der neuronalen Schaltkreisarchitektur hinzu, die für den Geruchssinn bei verschiedenen Insektentaxa gefunden wurden. Unser erstes Ziel in diesem Projekt besteht darin, die organisatorische Logik des Geruchssystems von T. longispinosus von den Genen bis zu den Neuronen zu verstehen, um die Beziehung zwischen der genomischen Organisation des GR und den Expressionsmustern zu ergründen. Zweitens wollen wir die individuelle Variation in der Gehirnanatomie mit der Verhaltensrolle einer Arbeiterin in ihrer Kolonie verknüpfen, um die funktionellen Konsequenzen der interindividuellen Variation aufzudecken. Als nächstes werden wir untersuchen, ob interindividuelle anatomische Variationen auch bei anderen Ameisen- und Insektenarten vorkommen, mit dem langfristigen Ziel, den evolutionären Ursprung und die Funktion solcher Variationen zu charakterisieren. Schließlich werden wir einen theoretischen Ansatz anwenden, um zu verstehen, welche Berechnungsprinzipien eine nicht-kanonische und möglicherweise individualisierte Architektur des Geruchssystems begünstigen, und um ein minimales evolutionäres Modell zu entwickeln, das die Vielfalt der Geruchssysteme erklärt. Unser Ansatz kombiniert genomische, molekulare, neurobiologische, vergleichende und computergestützte Methoden, um die Genomarchitektur mit der Architektur neuronaler Schaltkreise zu verknüpfen und die funktionellen Konsequenzen und den evolutionären Ursprung der Vielfalt der Organisation olfaktorischer Schaltkreise zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2205: Evolutionäre Optimierung neuronaler Systeme
• Mitverantwortlich: Dr. Roman Zug