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Genetische Vielfalt schützt vor Krankheiten

23.05.2018

Nicht der Fitteste überlebt, sondern Vielfalt ist Trumpf: Einem Team von Forschenden des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) ist es gelungen, experimentell nachzuweisen, dass genetische Diversität Populationen zu einer besseren Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten verhilft.

Warum sind Tier- und Pflanzenarten auf der ganzen Welt auch innerhalb einer Spezies mit einem uneinheitlichen Erbgut ausgestattet, obwohl sich doch eigentlich der „fitteste“ Genpool durchsetzen müsste?


Die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zeigt zwei cyanobakterielle Filamente in 6000-facher Vergrößerung. Das untere Filament wurde von mehreren Chytrid-Sporen – die runden Strukturen an der Spitze des Filaments – infiziert. Der Parasit dringt in das Filament ein, nimmt die Nährstoffe aus seinem Inneren auf und nutzt sie für sein Wachstum. So können sich die Sporen zu größeren Strukturen entwickeln. Wenn die sogenannten Sporangien ausgereift sind, setzen sie neue Sporen frei, die andere Wirte infizieren können. | Bild: Reingard Roßberg / IGB

Eine gängige Theorie in der Evolutionsbiologie besagt, dass sie so besser auf Veränderungen in ihrer Umwelt, wie etwa das Auftreten einer Krankheit, reagieren können.

Diese Theorie experimentell zu beweisen, ist jedoch nicht ganz einfach: Bei den meisten Tier- und Pflanzenarten lässt sich kaum beobachten, wie evolutionäre Entwicklungen ihren Lauf nehmen – die Generationszyklen sind dafür einfach zu lang.

Evolutionärer Wechsel in Echtzeit

Ein Team um IGB-Forscher und Evolutionsökologe Dr. Ramsy Agha hat nun die Evolution der parasitären Pilzart Rhizophydium megarrhizum untersucht. Dieser Pilz befällt die in vielen Gewässern verbreitete Cyanobakterienart Planktothrix.

Das Team setzte den Parasiten Wirtspopulationen mit genetisch identischen Individuen sowie Wirtspopulationen mit genetisch unterschiedlichen Individuen aus. Da sich die Pilze schnell vermehren, etwa einmal täglich, beobachteten die ForscherInnen die Versuchsanordnungen über einen Zeitraum von insgesamt 200 Tagen.

„Wir wollten den evolutionären Wechsel quasi in Echtzeit und unter kontrollierten Bedingungen beobachten, um herauszufinden, ob und wie rasch sich die Parasiten an genetisch gleichartige und diverse Wirte anpassen“, erklärt Ramsy Agha.

Während die ForscherInnen die Anpassung von Rhizophydium megarrhizum zuließen, hielten sie die Wirtspopulationen in evolutionärem Stillstand.

„Wir konnten zeigen, dass sich die Pilze sehr schnell, also innerhalb von nur drei Monaten, an die Wirte mit genetisch gleichartiger Ausstattung anpassen“, berichtet Agha. Diese Anpassung zeigt sich darin, dass es die Parasiten schneller schafften, sich an die Wirte anzuheften und deren Abwehrmechanismen zu überwinden, und sich so rascher vermehren konnten.

Genetische Diversität bei der Wirtspopulation behindert Anpassung der Parasiten

Wiesen die Cyanobakterien allerdings ein uneinheitliches Erbgut auf, traten diese Effekte nicht ein. Dem Parasiten gelang die Anpassung nicht, der Krankheitszustand blieb stabil.

Die genetische Diversität bei Cyanobakterien verlangsamt offensichtlich die Anpassung der Parasiten und erhöht die Widerstandsfähigkeit der Bakterien gegen Krankheiten.

„Unsere Ergebnisse sind auch generell bedeutsam für die Ökosystemforschung, denn sie helfen uns zu erklären, warum eine hohe Diversität in Populationen für deren Erhalt wertvoll sein könnte“, sagt Agha.

Als nächstes wollen er und sein Team untersuchen, welche Auswirkungen es hat, wenn sich nicht nur der Parasit, sondern auch die Wirtspopulation an veränderte Bedingungen anpassen darf. Die ForscherInnen erhoffen sich weitere Erkenntnisse darüber, wie Krankheit – gemeinhin als negatives Phänomen wahrgenommen – ein wichtiger natürlicher Prozess ist, der biologische Vielfalt fördert und erhält.

Lesen Sie die Studie in Frontiers in Microbiology > https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.00921/full

Agha R, Gross A, Rohrlack T and Wolinska J (2018) Adaptation of a Chytrid Parasite to Its Cyanobacterial Host Is Hampered by Host Intraspecific Diversity. Front. Microbiol. 9:921. doi: 10.3389/fmicb.2018.00921

Bildunterschrift:

Die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zeigt zwei cyanobakterielle Filamente in 6000-facher Vergrößerung. Das untere Filament wurde von mehreren Chytrid-Sporen – die runden Strukturen an der Spitze des Filaments – infiziert. Der Parasit dringt in das Filament ein, nimmt die Nährstoffe aus seinem Inneren auf und nutzt sie für sein Wachstum. So können sich die Sporen zu größeren Strukturen entwickeln. Wenn die sogenannten Sporangien ausgereift sind, setzen sie neue Sporen frei, die andere Wirte infizieren können. | Bild: Reingard Roßberg / IGB

Ansprechpartner:

Dr. Ramsy Agha, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), Abteilung 2 Ökosystemforschung, Arbeitsgruppe Evolutionsökologie von Krankheiten, +49 (0)30 64 181 745, agha@igb-berlin.de

Katharina Bunk, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, +49 (0)30 641 81 631, +49 (0)170 45 49 034, bunk@igb-berlin.de

Über das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB):

Das IGB ist das bundesweit größte Forschungszentrum für Binnengewässer. Es verbindet Grundlagen- und Vorsorgeforschung, bildet den wissenschaftlichen Nachwuchs aus und berät Politik und Gesellschaft in Fragen des nachhaltigen Gewässermanagements. Forschungsschwerpunkte sind u.a. die Langzeitentwicklung von Seen, Flüssen und Feuchtgebieten angesichts sich rasch ändernder Umweltbedingungen, die Renaturierung von Ökosystemen, die Biodiversität aquatischer Lebensräume sowie Technologien für eine ressourcenschonende Aquakultur. Die Arbeiten erfolgen in enger Kooperation mit den Universitäten und Forschungsinstitutionen der Region Berlin-Brandenburg und weltweit. Das 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. http://www.igb-berlin.de/

Weitere Informationen:

http://www.igb-berlin.de/news/genetische-vielfalt-schuetzt-vor-krankheiten

Katharina Bunk | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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