Metagenom als Turbo der Evolution

Durch Infektion mit einem bestimmten Bakterium entwickelt sich ein Schädling schneller und produziert besonders viele Nachkommen. Als Folge hat es der bakterielle Mitbewohner binnen weniger Jahre von einer Rarität zur Normalität gebracht.

Vor allem Mikrobiologen ist die Bedeutung eines horizontalen Gentransfers für die Anpassung an veränderte Umwelten bekannt. Genetisches Material wird dabei von einem Organismus auf einen anderen übertragen. Dieser Austausch ist zwischen unterschiedlichen Bakterienarten, aber auch zwischen Viren und von diesen Viren infizierten Bakterien gebräuchlich. Die schnelle Entwicklung von Antibiotikaresistenzen ist nur eine Folge. Diese Resistenz kann, einmal entwickelt, einfach zwischen unterschiedlichen Spezies weitergegeben werden.

Auch bei Insekten, wie den Gliederfüßern (Arthropoden) kann ein „Gentransfer“ die Evolution beschleunigen. Dieser erfolgt jedoch nicht, wie bei den Bakterien üblich, als in das eigene Genom eingebaute Fremd-DNA, sondern viel effektiver als Symbiose. Vielfältige Studien beschreiben diese Prinzipien. Der Selektionsdruck auf ein Insekt wird durch Symbiosen mit Bakterien beantwortet. Symbiosen stellen natürlich keinen Gentransfer im engeren Sinne dar. Die Wirkung für die nachfolgenden Generationen sind trotzdem beachtlich und werden ebenfalls vererbt.

Symbiosen als Turbo

Prinzipiell unterscheiden Biologen bei Endosymbiosen zwei Formen: "Primäre Symbiosen" sind für die Insekten überlebensnotwendig. Sie können stabil, teilweise seit mehreren Millionen Jahren zwischen dem Wirt und dem Bakterium etabliert sein. „Sekundäre“ Endosymbiosen sind für den Wirt nicht essentiell. Sie besitzen für den Wirt vielmehr andere Vorteile. So mehren sich die Hinweise, dass durch sekundäre Symbiosen das genetische Reservoir eines Organismus deutlich erweitert und bei Bedarf abgerufen werden kann. Zum Beispiel können über sekundäre Endosymbiosen Resistenzen gegen Feinde abgerufen werden - dies ist vor allem bei Zunahme des Populationsdrucks der Feinde hilfreich. Diese Form der Symbiose ist noch weniger gut erforscht.

Einige beschriebene Beispiele faszinieren nicht nur Biologen. So können Erbsenblattläuse durch Endosymbiosen Resistenzen gegen Parasiten oder Hitze entwickeln. Aber auch ihre Färbung und damit Sichtbarkeit für Feinde kann so variiert werden. Auch Futterquellen können durch Symbiosen erweitert werden, z.B. durch den Abbau von giftigen Inhaltsstoffen. Einige Käfer werden durch eine Endosymbiose gegen Spinnengifte resistent. Die Fruchtfliege Drosophila entwickelt eine Resistenz gegen Viruserkrankungen. Darüber hinaus sind Fälle beschrieben, in denen sich vor allem weibliche Nachkommen entwickeln. So gibt es Schmetterlinge, die unter bestimmten Umständen weibliche Nachkommen produzieren, obwohl diese genetisch Männchen sind. 

Trotz dieser bekannten Studien zum Einfluss von Symbionten auf Insekten, verblüfft eine jetzt veröffentlichte Studie aufs Neue. Diese beschreibt einen sehr starken Effekt durch ein ganzes Set von Vorteilen für den Wirt.

Beeindruckende Vorteile für die Mottenschildlaus 

Bei der Mottenschildlaus (Bemisia tabaci), einem durch das Saugen von Pflanzensaft gefürchteten Überträger von Viruserkrankungen, wurde eine Turbo-Evolution durch einen neuen Symbionten beobachtet. Die Art gehört zu einer ganzen Gruppe bedeutender Pflanzenschädlinge, die als “Weiße Fliegen” bekannt sind. Durch die Infektion der Weißen Fliegen mit dem Bakterium Rickettsia bellii produzieren diese ungefähr doppelt so viele Nachkommen wie nicht infizierte Insekten. Dieser Fitnessgewinn durch höhere Reproduktion wird noch einmal verstärkt, indem mehr Individuen in kürzerer Zeit geschlechtsreif werden. Zudem wurden mehr weibliche Nachkommen (70 Prozent) durch die infizierten Weibchen gezeugt.

In Labortests verdoppelte die mütterlicherseits vererbbare Symbiose die Fitness der Insekten. Die Geschwindigkeit, mit der diese Entwicklung erfolgt, ist das eigentliche Phänomen. Lebten im Jahr 2000 ungefähr 1% der Weißen Fliege in Symbiose mit Rickettsia, so war es 2006 fast die komplette Population in weiten Teilen der USA (97%). Bei Annahme von ca. 13 Generationszyklen pro Jahr bedeutet dies, dass in weniger als 80 Generationen eine komplette Etablierung der Symbiose in den südwestlichen US-Bundesstaaten Arizona, Neumexiko und Kalifornien erfolgte. Auf welche Weise das Bakterium Rickettsie ihren Wirt beeinflusst, ist derzeit noch völlig offen. Eine Möglichkeit sei, dass das Bakterium die chemische Abwehr der befallenen Pflanzen schwächt. Vielleicht hält es aber auch Krankheitserreger in Schach oder versorgt den Wirt mit zusätzlichen Nährstoffen.

Einige Forscher beginnen deshalb bereits von einem generellen Prinzip der schnellen Anpassung durch sekundäre Symbiosen zu sprechen. Zumindest was die Schlagkraft für die Gesamtpopulation angeht, scheint die symbiotische Lebensweise der Mutation eigener Gene überlegen zu sein.

Die vorliegende Studie zeigt auch, wie sich Symbiosen nachteilig auf die Agronomie auswirken können. Durch die rapide Anpassung können neue Lebensräume schneller erschlossen werden. Eine Intensivierung der Bekämpfungsmaßnahmen wird nötig, um die fitteren Populationen in Schach zu halten. Bereits heute ist die Wirkung einiger Insektizide unzureichend. Durch die polyphage Lebensweise befällt die Weiße Fliege ein breites Pflanzenspektrum. Massenvermehrungen können daher zu großflächigen Ertragsausfällen führen.