Genetische und genomische Strukturevolution als Grundlage für Veränderungen in der Ernährungsökologie bei Hemipteren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Ingo Ebersberger; Professorin Dr. Kristen Panfilio
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570427173

Innerhalb der hemimetabolen Insekten bilden Hemiptera die größte Ordnung, mit vielen Arten von landwirtschaftlicher und medizinischer Bedeutung. Ihr Ernährungsspektrum reicht von phytophagen Arten, die sich von Pflanzenmaterial ernähren, bis zu räuberischen und blutsaugenden Linien. Hemipteren haben wiederholt ihre Ernährungsstrategien angepasst und teils konvergent entwickelt, auch in der jüngeren Evolution. Innerhalb der phytophagen Bodenwanzen (Lygaeidae) reicht das Spektrum von monophagen Arten, die nur eine Pflanzenart fressen, bis hin zu Generalisten mit einer kaum ausgeprägten Futterpflanzenpräferenz. Ernährung eignet sich hervorragend zur Verknüpfung von Genotyp und Phänotyp. Dank der umfangreichen genomischen Ressourcen für Hemipteren lassen sich die genetischen Grundlagen der Diversifizierung und konvergenten Entwicklung von Ernährungsstrategien mittlerweile umfassend untersuchen. Diese Möglichkeit wurde bisher kaum genutzt, obwohl Hemipteren mit ihren hohen Intronzuwachs- und -umsatzraten sowie den unterschiedlichen Ernährungsstrategien hervorragend für solche Analysen geeignet sind. Dieses Projekt vereint Expertise in Algorithmenentwicklung, vergleichender Genomik und Hemipteren-Biologie in einem einzigartigen Verbund, der es ermöglicht multiskalige und multimodale Analysen der Evolution von Stoffwechsel- und Regulationswegen im Zusammenhang mit Ernährung durchzuführen. Wir untersuchen, ob Arten ihr Nahrungsspektrum durch Anpassung der Genexpression oder durch den Einsatz unterschiedlicher Gene regulieren. Da Insekten als Holoorganismen betrachtet werden müssen, berücksichtigen wir auch die Rolle metabolischer Komplementierung durch das Mikrobiom. Ein umfassendes Datenset, das kuratierte Gene im Bereich des Stoffwechsels umfasst, bildet die Grundlage des Projekts. Wir analysieren die Zusammensetzung, den taxonomischen Ursprung und die evolutionäre Geschichte der Gene, die an der Entwicklung von Ernährungsstrategien beteiligt sind. Dabei verbinden wir erstmals den Blick auf das Hemipteren-Pangenom mit der Perspektive aus der Modellart Oncopeltus fasciatus. Der Vergleich naher verwandter Vertreter der Bodenwanzen - unter Verwendung sowohl von Laborstämmen und wild lebenden Vertretern - untersucht wie diese über Veränderungen in der Genexpression ihre Ernährungsstrategien angepasst haben. Wir untersuchen die Rolle von Genduplikation und alternativem Spleißen bei der funktionellen Diversifizierung von Proteinen. Innovative Ansätze, die Intron-Exon-Strukturen mit der 3D-Proteinfaltung verknüpfen, helfen uns, die strukturellen Auswirkungen der Transkriptdiversität zu verstehen. Wichtige Genkandidaten werden funktionell getestet und in breitere metabolische und regulatorische Netzwerke integriert. Unsere Arbeit wird zeigen, wie sich ernährungsbezogene genomische Strategien bei Hemiptera entwickelt haben, und wie sich diese von Strategien in anderen Insektengruppen unterscheiden, die konvergent ähnliche Ernährungsweisen verfolgen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2349: Die Genomischen Grundlagen Evolutionärer Innovationen (GEvol)