The molecular basis of sexual selection: isolation of genes involved in the development of the sword in swordtail fish
Final Report Abstract
Das Schwert, ein sexuell selektiertes Merkmal bei Fischen der Gattung Xiphophorus, ist eine verlängerte Schwanzflosse, die sich bei reifenden männlichen Schwertträger-Fischen unter dem Einfluss von Testosteron entwickelt. Charles Darwin machte die Schwertträger bekannt, als er sie in seinem zweiten Buch ("Die Abstammung des Menschen und die geschlechtliche Zuchtwahl", 1871) als Beispiel für seine Theorie der sexuellen Selektion heran zog. Bei den nahe verwandten Platyfischen ging die Fähigkeit ein Schwert zu entwickeln in der Evolution wieder verloren. Die molekularen Grundlagen der Schwertentwicklung lassen sich daher in einem phylogenetischen Bezugssystem von Schwertträgern und Platyfsichen untersuchen. Wir haben die Wachstumsregulation der knöchernen Flossenstrahlen der Schwanzflosse untersucht und dabei Erkenntnisse darüber gewonnen, wie das Schwert geformt wird und welche molekularen Signale sein Wachstum regulieren. Dabei waren Transplantationen einzelner Knochenstrahlen aus dem Schwert aufschlussreich, denn Transplantate auf die Oberseite der Schwanzflosse induzierten im benachbarten Gewebe ein komplettes zweites Schwert. Das „schwertorganisierende Signal" geht dabei nur von den beiden zentralen Flossenstrahlen aus, die in Nachbarstrahlen das Wachstum, nicht aber die typische Färbung, induzieren können. Die Fähigkeit zur Expression dieses noch unbekannten Signals wird bereits im Larvalstadium in der ventralen Schwanzflosse angelegt. Desweiteren wurde ein molekulares Modul entdeckt, das über die Aktivierung des Fgf-Rezeptors 1 (Fgfrl) und des Transkriptionsfaktors MsxC das Wachstum von Flossenstrahlen reguliert. In Schwertträgern ist dieses Modul unter der Kontrolle von Testosteron, während Platyfische die Fähigkeit größtenteils vertoren haben, das Modul effizient durch endogenes Hormon zu aktivieren. Dagegen entwickelt sich in einer Mutante in Platyfischen, brushtail, ein kleines Schwert in reifenden Männchen. Unsere Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass brushtail das Fgfrl/MsxC Modul in allen Flossenstrahlen aktiviert, so dass endogenes Testosteron ausreicht, um die Entwicklung eines Schwertes in Platyfischen wieder zu „erwecken". Unsere Experimente dokumentieren erstmalig, dass einzelne Flossenstrahlen die Länge und die Form der Flosse maßgeblich bestimmen können. Die Arbeit offenbart darüber hinaus Parallelen zur Entwicklung der Gliedmaßen bei Tetrapoden, deren Asymmetrie im Embryo durch die organisierende Aktivität diffundierender Signalmoleküle reguliert wird. Dass die Flossenform bei Fischen durch ähnliche Mechanismen reguliert werden könnte, stellt einen spannenden interessanten Ausgangspunkt für weitere Studien dar. Berichte über die Publikation von Eibner et al., 2008 Evol. Dev. 10: 403-412 erschienen in den folgenden Medien: • Auf Darwins Spuren: Die Gene für den kleinen Unterschied (03.09.2008: Frankfurter Allgemeine Zeitung) • Schwertträger (31.7.2008: Prometheus - Wissenschafts-Fernsehen für Baden-Württemberg; digital im Kabelnetz in Baden-Württemberg; http://www.klarnermedien.de/prometheus/) • Markant (19.7.2008: Südkurier Konstanz) • Wunderwaffe V8 (6.7.2008: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung) Ein Bericht über die geförderte Arbeit erschien im Internetauftritt von BioPro: Die Damen haben die Wahl (1.3.2008: BioPro - Das Biotech/Life Sciences Portal Baden-Württemberg; http://ww.biopro.de/de/region/biolago/magazin/04527/index.html)
Publications
- Fgfr1 signalling in the development of a sexually selected trait in vertebrates, the sword of swordtail fish. BMC Developmental Biology 8:98
Offen, N., Blum, N., Meyer, A. and Begemann, G.
- (2008). The developmental basis of evolutionary innovation: Inductive signals coordinate the development of a sexually selected trait in swordtail fish. Evolution & Development 10: 403-412
Eibner, C., Pittlik, S., Meyer, A. and Begemann, G.
