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Evolutionsökologie: Hybride Artbildung ermöglichte sprunghafte Nischenerweiterung bei Wechselkröten

13.11.2015

Wenn Tiere „aus der Art schlagen“, können sie neue ökologische Nischen erobern. Das haben Wissenschaftler bei polyploiden Wechselkröten nachgewiesen, die durch Verschmelzung zweier Arten entstanden sind. Was man den Tieren nicht ansieht: ihre drei- oder gar vierfachen Chromosomensätze haben oft vollkommen neue Eigenschaften zur Folge, dank derer sie sich u.a. an extreme Lebensbedingungen anpassen können. Matthias Stöck vom Leibniz-IGB und Francesco Ficetola von der Universität Grenoble haben untersucht, ob polyploide Kröten dieselben ökologischen Nischen besiedeln wie ihre diploiden Stammformen. Sie konnten „Ökologische Transgression“ damit erstmals für polyploide Wirbeltiere beschreiben.

„Durch Hybridisierung entstandene Arten, also Kreuzungen getrennter Stammformen, können Eigenschaften hervorbringen, die mit keiner der Stammformen übereinstimmen – zum Beispiel bezüglich ihrer Gestalt, Färbung, Nahrungspräferenzen oder hinsichtlich der Umweltbedingungen, unter denen sie leben können“, sagt Dr. Matthias Stöck, Heisenberg-Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB).


Tetraploide Kröten (Bufo oblongus) aus Turkmenistan in Zentralasien: Die Tiere kommen mit extremen Lebensbedingungen in Wüsten aus, sofern es dort temporäre Wasserstellen gibt.

Foto: Matthias Stöck


Tetraploider Karyotyp: Jedes Chromosom ist vierfach vorhanden. Die unterschiedliche Bänderung der Chromosomen Nummer 6 gibt einen Hinweis auf den Hybridcharakter der tetraploiden Kröten

Foto: Matthias Stöck

Transgression nennen Wissenschaftler dieses Phänomen, das den Hybriden einen möglicherweise entscheidenden Vorteil gegenüber ihren Stammformen verschaffen kann. – Mit Folgen für die Evolution neuer Arten und die Besiedelung neuer Lebensräume.

Nachgewiesen haben die Wissenschaftler diesen Effekt bei polyploiden Wechselkröten. Polyploidie bedeutet, dass Arten mehr als zwei Chromosomensätze in ihren Zellen aufweisen. „Dies trifft auf einige wechselwarme Wirbeltiere sowie auf zahlreiche Pflanzenarten zu“, erklärt Dr. Matthias Stöck. Europäische Wechselkröten besitzen wie wir Menschen zwei Chromosomensätze (Diploidie) – einen mütterlichen und einen väterlichen; einige asiatische Arten dagegen drei oder vier.

Diese Polyploiden sind durch Verschmelzung zweier Arten entstanden und besitzen Genome beider Vorläufer. So haben die asiatischen Verwandten unserer heimischen Wechselkröten zum Beispiel zwei, drei, oder sogar vier Chromosomensätze, sind also di-, tri-, oder tetraploid. Äußerlich sieht man den Tieren den genetischen Unterschied kaum an. Nur mittels genetischer Methoden können Wissenschaftler die Tri- oder Tetraploiden identifizieren.

Neue Arten bilden sich innerhalb weniger Generationen

Hybridformen mit mehr als zwei Chromosomensätzen entstehen, wenn sich zwei genetisch getrennte Arten paaren und beim Verschmelzen des Erbguts alle Chromosomen der Stammformen beibehalten werden. So können sich innerhalb weniger Generationen neue Arten bilden, die Eigenschaften und Merkmale aufweisen, die beide Elternlinien überhaupt nicht besitzen.

Die polyploide hybride Artbildung (Speziation) unterscheidet sich damit deutlich von der klassischen (u.a. der allopatrischen) Artbildung, die über sehr lange Zeiträume und zumeist über die räumliche Trennung von Populationen erfolgt. Beide Formen der Artbildung kommen bei Wechselkröten vor.

Polyploide Arten besetzen neue ökologische Nischen

Matthias Stöck und sein italienischer Kollege Francesco Ficetola wollten herausfinden, ob die polyploiden Arten der Wechselkröten andere ökologische Nischen besetzen als ihre diploiden Vorfahren. Als ökologische Nische bezeichnen Wissenschaftler dabei „die Gesamtheit biotischer und abiotischer Umweltfaktoren, die eine Art beeinflussen.“

„Wir haben vermutet, dass sich die Tiere durch Transgression besser an neue Lebensbedingungen anpassen können“, sagt Matthias Stöck. Dazu untersuchten die Forscher fünf Arten von Wechselkröten an 99 Standorten in deren Verbreitungsgebieten in Zentral- und Hochasien: Bufo pewzowi, eine tetraploide Art ist der Nachkomme von Bufo latastii und Bufo turanensis (beide diploid). Ein weiterer Polyploider dieser beiden Linien ist Bufo oblongus, ebenfalls tetraploid. Bufo latastii und Bufo shaartusiensis (diploid) haben Bufo baturae als triploiden Hybriden hervorgebracht.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die beiden tetraploiden Wechselkröten Bufo pewzowi und Bufo oblongus ökologische Nischen mit wesentlich harscheren Lebensbedingungen (trockenere, kältere Winter) besiedeln als ihre beiden Elternlinien“, fasst Matthias Stöck zusammen. Die triploide Art Bufo baturae hingegen würde sich evolutionär konservativ verhalten: „ihre ökologische Nische ähnelt der von Bufo latastii, von der sie zwei Drittel des Erbgutes in sich trägt.“

Neue Eigenschaften begünstigen die Bildung von Arten

Dass polyploide Arten einen Vorteil erlangen, wenn sie die Lebensräume ihrer Vorfahren verlassen können, dürfte mit Schwierigkeiten beim Finden von Paarungspartnern zusammenhängen, nehmen die Wissenschaftler an. Rückkreuzungen von polyploiden mit den diploiden Vorläuferarten würden zu genetischen Problemen führen. Ökologische Transgression könnte also aus evolutionärer Sicht die polyploide Artbildung von Tieren begünstigen.

Nämlich dadurch, dass eine neue polyploide Art der Konkurrenz ihrer diploiden Verwandten quasi entflieht, indem sie sich an neue ökologische Nischen und damit Lebensräume anpasst. So konnten sich die tetraploiden Wechselkröten große Bereiche der zentralasiatischen Wüsten und Hochgebirge erschließen, wo sie zum Teil die einzigen Amphibienarten sind. Es kann also durchaus von Vorteil sein, „aus der Art zu schlagen.“

Publikation:

Ficetola G.F. & M. Stöck 2015: Do hybrid-origin polyploid amphibians occupy transgressive or intermediate ecological niches compared to their diploid ancestors? Journal of Biogeography (published online).

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jbi.12667/epdf

Kontakt:

PD Dr. Matthias Stöck
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)
Müggelseedamm 301
12587 Berlin
E-Mail: matthias.stoeck@igb-berlin.de
Tel.: 030 64 181 629

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit: Angelina Tittmann/Nadja Neumann
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)
E-Mail: pr@igb-berlin.de
Tel.: +49 (0) 30 64181 -631/-975

Weitere Informationen zum Leibniz-IGB:

http://www.igb-berlin.de

Die Arbeiten des Leibniz-IGB verbinden Grundlagen- mit Vorsorgeforschung als Basis für die nachhaltige Bewirtschaftung der Gewässer. Das Leibniz-IGB untersucht dabei die Struktur und Funktion von aquatischen Ökosystemen unter naturnahen Bedingungen und unter der Wirkung multipler Stressoren. Forschungsschwerpunkte sind unter anderem die Langzeitentwicklung von Seen, Flüssen und Feuchtgebieten bei sich rasch ändernden globalen, regionalen und lokalen Umweltbedingungen, die Entwicklung gekoppelter ökologischer und sozioökonomischer Modelle, die Renaturierung von Ökosystemen und die Biodiversität aquatischer Lebensräume. Die Arbeiten erfolgen in enger Kooperation mit den Universitäten und Forschungsinstitutionen der Region Berlin/Brandenburg und weltweit. Das Leibniz-IGB gehört zum Forschungsverbund Berlin e. V., einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft.

Angelina Tittmann | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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