Steinschwämme: Gene entlarven falsche Verwandtschaft

Various desma skeletons within lithistid demosponges. (A) sphaeroclone desmas (Vetulinidae); (B) megaclone desmas (Pleromidae); C–D rhizoclone desmas (Scleritodermidae, Azoricidae, Siphonididae); E–F dicranoclone desmas (Corallistidae). doi:10.1371/journal.pone.0116038.g002

Die evolutionären Beziehungen von Organismen können oft erst durch die Kombination molekularbiologischer Untersuchungen mit den Ergebnissen von Fossilienanalysen aufgeklärt werden. “Dies ist eine große Herausforderung, insbesondere, wenn nur wenige Fossilien erhalten sind, wie bei den meisten Schwämmen”, sagt Professor Gert Wörheide vom Department für Geo- und Umweltwissenschaften und Geobio-Center der LMU.

“Eine Ausnahme stellen die sogenannten Steinschwämme dar, von denen zahlreiche fossile Überreste erhalten geblieben sind”. Mithilfe dieser Fossilien und der bisher umfassendsten Analyse von Gensequenzen heutiger Steinschwämme konnte ein internationales Team um Wörheide deren Verwandtschaftsverhältnisse neu bewerten – und entdeckte dabei einige “Kuckuckskinder”.

Steinschwämme gehören zu den Demospongiae, der zahlenmäßig größten Klasse aller Schwämme. Sie leben in tropischen, subtropischen und gemäßigten Regionen vom Flachwasser bis in die Tiefsee. Es gibt über 300 verschiedene Arten von Steinschwämmen, die 13 Familien und 41 Gattungen zugeordnet werden. Verglichen mit den fossil erhaltenen Steinschwämmen – bekannt sind 34 fossile Familien und über 300 fossil erhaltene Gattungen – ist die heutige Artenvielfalt aber vergleichsweise gering.

“Allerdings könnten die Ursprünge der derzeitigen Steinschwämme bis ins frühe Erdaltertum (mehr als 500 Millionen Jahre) zurückreichen, was darauf hindeutet, dass bei ihrer Stammesgeschichte noch großer Forschungsbedarf besteht”, sagt Wörheide.

Umfangreiche Genanalysen

Steinschwämme besitzen ein charakteristisches hartes, steinähnliches Skelett aus verzahnten sogenannten Schwammnadeln aus Siliziumdioxid (Glas), das die Form des Schwammes bestimmt. Die Morphologie – also die Struktur und Form – des Skeletts ist ein wichtiges Hilfsmittel bei der Bestimmung der verschiedenen Steinschwamm-Arten. “Ihre exakte Klassifizierung und stammesgeschichtliche Entwicklung wird aber immer noch kontrovers diskutiert” sagt Astrid Schuster, Erstautorin und Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Wörheide.

“Früher wurden sie aufgrund von morphologischen Ähnlichkeiten in die gemeinsame Ordnung 'Lithistida' gruppiert, die immer noch durch die Literatur geistert”. Ein internationales Team um Schuster und Wörheide analysierte nun für ihren paläomolekularen Ansatz die Gensequenzen zweier verschiedener Gene von 68 individuellen Steinschwämmen, die 12 Familien und insgesamt 21 Gattungen angehörten. Zusätzlich gingen zahlreiche weitere bereits vorhandene Gensequenzen aus Datenbanken in die Analysen ein.

Die Ergebnisse der Genanalysen kombinierten die Wissenschaftler mit charakteristischen Skelettmerkmalen, etwa der Art und Anordnung der Schwammnadeln. “Dadurch können wir die bisherigen Annahmen bezüglich der Evolution der Steinschwämme teilweise widerlegen und zeigen, dass einige Steinschwämme Gattungen zugeordnet wurden, in die sie nicht gehören”, sagt Schuster.

Offensichtlich sind die 'Lithistida' keine natürliche Gruppe und gehen nicht auf einen unmittelbaren gemeinsamen Vorfahren zurück. Insbesondere zeigte sich, dass die Klassifizierung anhand von Skelettbestandteilen wie etwa der Schwammnadeln neu bewertet werden muss, weil die für die Steinschwämme charakteristischen Schwammnadeln während der Evolution mehrfach unabhängig voneinander erschienen bzw. wieder verloren gingen.

“Morphologische Ähnlichkeiten sind daher für die Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen dieser Organismen nicht aussagekräftig”, erklärt Wörheide, “dies gilt sicherlich auch für andere Schwammgruppen”.

Die neue Studie legt den Grundstein für weitere detaillierte Untersuchungen, in denen die Wissenschaftler mithilfe einer sogenannten molekularen Uhr nachvollziehen wollen, wann sich die verschiedenen Steinschwamm-Linien voneinander abgespalten haben. Die Ergebnisse könnten helfen, diese wohl älteste noch existierende Tiergruppe besser zu verstehen und ihre Evolution neu zu bewerten.
PLOS ONE 2015
Göd

Publikation
Deceptive desmas: molecular phylogenetics suggests a new classification and
uncovers convergent evolution of lithistid demosponges.
Astrid Schuster, Dirk Erpenbeck, Andrzej Pisera, John Hooper, Monika Bryce, Jane Fromont, Gert Wörheide
PLOS ONE 2015
http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0116038

Kontakt:
Prof. Dr. Gert Wörheide
Department für Geo- und Umweltwissenschaften
Paläontologie & Geobiologie
Telefon: +49 (0) 89 2180 6718
Fax: +49 (0) 89 2180 6601
E-Mail: geobiologie@geo.lmu.de
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