Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Phänotypische Plastizität – wie Umwelt und Genetik interagieren

Autoren
Sommer, Ralf J.; Loschko, Tobias; Riebesell, Metta; Röseler, Waltraud; Witte, Hanh
Abteilungen
Abteilung für integrative Evolutionsbiologie
Zusammenfassung
Organismen müssen, um zu überleben, auf ihre Umweltbedingungen reagieren. Wie aber die genetische Kontrolle und die Umwelt miteinander interagieren, ist wenig erforscht. Phänotypische Plastizität, die Eigenschaft von Organismen, verschiedene Formen je nach Umweltbedingungen zu bilden, bietet eine Möglichkeit, den Einfluss der Umwelt auf die Entwicklung von Organsimen zu untersuchen. Der Nematode Pristionchus pacificus ist für die Erforschung phänotypischer Plastizität geeignet: Durch Ausbildung zweier verschiedener Mundformen, je nachdem, welcher Umwelt er ausgesetzt ist.

Die Bedeutung der phänotypischen Plastizität

Die Anpassung der Organismen an ihre Umwelt ist eine der wichtigsten Grundeigenschaften des Lebens. Eine besonders spektakuläre Form dieser Anpassung ist die phänotypische Plastizität. Darunter versteht man das bei vielen Pflanzen und Tieren, aber auch bei Bakterien auftretende Phänomen, dass Individuen mit dem gleichen Genotyp (Erbinformation) unterschiedliche Phänotypen ausbilden, je nach den gerade vorherrschenden Umweltbedingungen. Phänotypische Plastizität wurde zuerst von Botanikern und Pflanzenzüchtern erkannt und untersucht, ist aber mittlerweile auch Gegenstand der zoologischen und mikrobiologischen Grundlagenforschung. Das resultiert vor allem aus theoretischen Arbeiten der letzten fünfzehn Jahre, die der phänotypischen Plastizität nicht nur eine Bedeutung bei der Interaktion der Organismen mit der Umwelt, sondern auch eine zentrale Rolle für die Entstehung der Formenvielfalt in der Evolution beigemessen haben [1, 2]. Lange Zeit war die Evolution der sozialen Insekten ein bevorzugtes Untersuchungsobjekt der Plastizitätsforschung. Bei Bienen beispielsweise entscheidet die Futtermenge und Qualität der Larven über die Entstehung von Arbeiterinnen beziehungsweise Königinnen. Bei vielen Ameisen treten sogar verschiedene Formen von Arbeiterinnen auf, die ebenfalls ein Beispiel der phänotypischen Plastizität darstellen, da genetisch identische Individuen durch unterschiedlichen Umwelteinfluss verschiedene Formen ausbilden können.

Der Fadenwurm Pristionchus pacificus als Modellsystem für integrative Evolutionsforschung und Ökologie

Die phänotypische Plastizität ist aber nicht auf soziale Insekten beschränkt, sondern kommt auch bei vielen anderen Insekten und Tiergruppen vor. In Fadenwürmern, deren ausgewählte Vertreter zu den Modell-Organismen der aktuellen Forschung gehören, sind einige Beispiele phänotypischer Plastizität dazu geeignet, ihrer genetischen Grundlage auf die Spur zu kommen. Die Art Pristionchus pacificus ist ursprünglich als evolutionsbiologisches Vergleichssystem zu Caenorhabditis elegans, einem der bedeutenden Modelle der medizinischen Forschung, in die Grundlagenforschung eingeführt worden (Abb. 1A; [3, 4]).

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Original 1508158469
Abb. 1: Der Fadenwurm Pristionchus pacificus und seine Umwelt. (A) Lebenszyklus. P. pacificus ist eine zwittrige Art. Erwachsene Tiere legen im Labor bis zu 150 Eier, die sich nach vier Larvenstadien unter optimalen Futterbedingungen innerhalb von nur vier Tagen wieder zu adulten Tieren entwickeln. Unter Stressbedingungen bildet P. pacificus Dauer-Larven, die schlechte Bedingungen für Monate überstehen können. (B) Auf Agarplatten mit Escherichia coli als Futterquelle kann P. pacificus im Labor in großen Mengen gezüchtet werden. (C) Der orientalische Käfer Exomala orientalis ist einer von mehreren Blatthornkäfern, auf denen P. pacificus in Nordamerika und Japan gefunden wurde.
Abb. 1: Der Fadenwurm Pristionchus pacificus und seine Umwelt. (A) Lebenszyklus. P. pacificus ist eine zwittrige Art. Erwachsene Tiere legen im Labor bis zu 150 Eier, die sich nach vier Larvenstadien unter optimalen Futterbedingungen innerhalb von nur vier Tagen wieder zu adulten Tieren entwickeln. Unter Stressbedingungen bildet P. pacificus Dauer-Larven, die schlechte Bedingungen für Monate überstehen können. (B) Auf Agarplatten mit Escherichia coli als Futterquelle kann P. pacificus im Labor in großen Mengen gezüchtet werden. (C) Der orientalische Käfer Exomala orientalis ist einer von mehreren Blatthornkäfern, auf denen P. pacificus in Nordamerika und Japan gefunden wurde.

Mittlerweile verfolgen die Forschungsarbeiten an diesem Organismus einen integrativen Ansatz in der Evolutionsbiologie, der Labor- und Feldarbeiten miteinander zu verknüpfen versucht. P. pacificus kann im Labor auf Agar-Platten mit Bakterien als einziger Futterquelle gehalten werden. Unter diesen Umständen komplettieren die Tiere ihren Lebenszyklus innerhalb von vier Tagen [3]. Als zwittrige Tiere, sogenannte Hermaphroditen, kann man, ausgehend von einem Muttertier mit etwa 150 Nachkommen, in nur acht Tagen mehr als 10.000 Tiere erzeugen. P. pacificus wie auch C. elegans können im Labor mit einfachen Methoden genetisch manipuliert werden, so zum Beispiel mit der CRISPR/Cas9-Genschere [5]. Darüber hinaus ist die Lebensweise von P. pacificus in der Natur ebenfalls gut untersucht. Wie viele seiner zahlreichen Verwandten aus der Gattung Pristionchus, lebt P. pacificus an Blatthornkäfern, zu denen die Mai- und Hirschkäfer zählen [6, 4]. Die Nematoden pflanzen sich aber erst dann fort, nachdem die Käfer gestorben sind. Am lebenden Käfer verharren die Würmer hingegen in einem arretierten, sogenannten Dauer-Stadium. Dauer-Larven sind extrem langlebig und stressresistent, sie entwickeln sich nur dann zu erwachsenen Würmern, wenn sie ein Futtersignal, normalerweise Bakterien oder Pilze, wahrnehmen.

Räuberisches Verhalten als Form der phänotypischen Plastizität

P. pacificus zeichnet sich durch ein einzigartiges Beispiel der phänotypischen Plastizität aus, das nur bei nah verwandten Vertretern derselben Familie, der Diplogastridae, bekannt ist. P. pacificus bildet zahnähnliche Dentikel, die in zwei verschieden Formen auftreten können (Abb. 2A; [7]). Im Verlauf seiner Entwicklung muss sich ein Individuum entscheiden, entweder die eurystomate (Eu) Form oder die stenostomate (St) Form anzunehmen. Eu-Tiere haben zwei Zähne, mithilfe derer sie andere Fadenwürmer töten und fressen können. Deshalb sind Eu-Tiere Räuber. St-Tiere dagegen bilden nur einen Zahn und können nur Bakterien fressen. Obwohl hermaphroditische Individuen genetisch vollständig identisch sind, sind die Eu- und St-Tiere morphologisch unterschiedlich und können verschiedene Futterquellen nutzen. Mit Escherichia coli Bakterien als einziger Futterquelle bilden Wurmkulturen im Labor Eu- und St-Tiere in einem Verhältnis von 70 zu 30 Prozent aus.

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Original 1508158470
Abb. 2: Mundhöhlendimorphismus als Beispiel für phänotypische Plastizität. (A) Pristionchus pacificus Individuen können zwei alternative Mundformen bilden. Eurystomate Tiere haben zwei Zähne, dorsal und subventral, mithilfe derer sie räuberisch andere Fadenwürmer fressen können. Stenostomate Tiere haben nur einen dorsalen Zahn und sind reine Bakterienfresser. (B) Teile des genetischen Netzwerkes für die Regulation der Mundformen-Entwicklung. Die eud-1/Sulfatase und der nuclear-hormone receptor NHR-40 repräsentieren diejenigen Schalter-Gene, deren An– oder Abschalten die Mundformausprägung regulieren. Oberhalb von eud-1 sind Signal-Moleküle, Pheromone und Steroidhormone, an der Ausprägung der Mundformen beteiligt.
Abb. 2: Mundhöhlendimorphismus als Beispiel für phänotypische Plastizität. (A) Pristionchus pacificus Individuen können zwei alternative Mundformen bilden. Eurystomate Tiere haben zwei Zähne, dorsal und subventral, mithilfe derer sie räuberisch andere Fadenwürmer fressen können. Stenostomate Tiere haben nur einen dorsalen Zahn und sind reine Bakterienfresser. (B) Teile des genetischen Netzwerkes für die Regulation der Mundformen-Entwicklung. Die eud-1/Sulfatase und der nuclear-hormone receptor NHR-40 repräsentieren diejenigen Schalter-Gene, deren An– oder Abschalten die Mundformausprägung regulieren. Oberhalb von eud-1 sind Signal-Moleküle, Pheromone und Steroidhormone, an der Ausprägung der Mundformen beteiligt.

Genetik und die Identifikation von Schalter-Genen

Die leichte Zucht der Nematoden und die vielseitigen Möglichkeiten der genetischen Manipulation haben in den letzten Jahren zahlreiche neue Erkenntnisse über die Regulation der phänotypischen Plastizität geführt. Für die individuellen Entwicklungsvorgänge bei sozialen Insekten war vorgeschlagen worden, dass Plastizität durch sogenannte Schalter-Gene reguliert wird, die den jeweiligen Phänotyp hervorrufen [2]. Bei sozialen Insekten aber sind genetische Untersuchungen schwierig, weshalb bislang derartige Schalter-Gene nie identifiziert werden konnten. In P. pacificus hingegen wurden mithilfe genetischer Screens Gene identifiziert, die tatsächlich als Schalter fungieren. Zuerst wurde die eud-1 Mutante isoliert, die keine Eu-Tiere mehr erzeugen kann und deshalb als Eu-defective bezeichnet wird (Abb. 2B; [8]). Dieses Gen kodiert eine Sulfatase; deren Schaltereigenschaft wurde durch zahlreiche Experimente charakterisiert und bestätigt. Während Mutationen in eud-1 zu kompletten St-Kulturen führen, bewirkt die Überexpression von eud-1 das Gegenteil, nämlich komplette Eu-Kulturen. Des Weiteren ist eud-1 Dosis sensitiv, bereits eine defekte Gen-Kopie führt zur Bildung von stenostomaten Hermaphroditen. Im Gegensatz zu Hermaphroditen sind Männchen präferentiell stenostomat. Der Grund: Da eud-1 auf dem X-Chromosom lokalisiert ist und Männchen im Gegensatz zu Hermaphroditen nur ein X-Chromosom haben, sind männliche Fadenwürmer präferentiell St-Phänotypen [8].

Zusammen belegen diese Merkmale, dass es sich bei eud-1 um ein Schalter-Gen handelt, dessen Anschalten zum Eu-Phänotyp, das Abschalten aber zum St-Phänotyp führt. Weitere Arbeiten haben mittlerweile gezeigt, dass die Mundform durch ein kompliziertes genetisches Netzwerk reguliert wird. Vor kurzem wurde der nuclear-hormone-receptor NHR-40 als weiteres Schalter-Gen identifiziert, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen (Abb. 2B). Mutationen in nhr-40 führen zu einem kompletten Eu-Phänotyp, wogegen Überexpression zu komplett St-Kulturen führt [9].

Die Umwelt und die Rückkopplung mit der Genetik

Die hier vorgestellten Arbeiten haben dazu beigetragen, einen ersten Einblick in die genetischen und molekularen Regulationsmechanismen bei der Interaktion zwischen Organismen und Umwelt  zu erhalten. Darauf aufbauend, können nun unter Laborbedingungen verschiedene Umweltbedingungen simuliert werden, um deren Einfluss auf das Verhältnis der beiden Mundformen zu untersuchen. Erste Arbeiten haben bereits gezeigt, dass die Populationsdichte und Futtermangel zu einer erhöhten Ausbildung der räuberischen Form führen [7]. Laufende Forschungsarbeiten sollen dieses Bild vertiefen und die mechanistischen Grundlagen der Interaktion zwischen Umwelt und Genetik entschlüsseln helfen: Welche Bedeutung haben abiotische Faktoren, wie zum Beispiel die Temperatur, auf das Vorkommen der Eu- und St-Formen? Wie wirken sich verschiedene Futterquellen aus? P. pacificus wird im Labor mit E. coli gefüttert. Welche Auswirkungen andere Mikroorganismen als Futterquelle auf die Mundform haben, ist Gegenstand neuer Untersuchungen. Vorläufige Experimente zeigten bereits, dass verschiedene Umweltfaktoren an verschiedenen Stellen mit dem genetischen Netzwerk der Mundformregulation interagieren.

Zusammenfassung

Die Erforschung der genetischen und molekularen Mechanismen der phänotypischen Plastizität war lange Zeit wegen methodischer Limitierungen nicht möglich. Die Etablierung neuer Modellsysteme hat in den letzten Jahren aber erste Einblicke in die molekularen Mechanismen geliefert. Dabei werden zum einen die Interaktionen zwischen Umwelt und Organismen Gegenstand detaillierte Untersuchungen sein. Darüber hinaus wird aber auch die Bedeutung der Plastizität für die Entstehung neuer Formenvielfalt im Laufe langer evolutionärer Zeiträume zu untersuchen sein. Auch diesbezüglich haben theoretische Arbeiten Hypothesen entwickelt [4], die nun mit phylogenetischen und vergleichenden Arbeiten zu überprüfen sein werden.

Bei den Fadenwürmern der Familie der Diplogastridae, zu der auch Pristionchus gehört, hat eine derartige vergleichende Studie von mehr als 90 Arten tatsächlich gezeigt, dass die in der Evolution pulsartig auftretende phänotypische Plastizität zu erhöhten Evolutionsraten und zu einer Steigerung der Formenvielfalt führte [10]. Mit dem Auftreten evolutionsbiologischer phänotypischer Plastizität erhöht sich, im Vergleich zu nicht-plastischen Artengruppen, die Vielfalt der Mundstrukturen. Bei der Fixierung der Plastizität und der sekundären Rückführung in monotypische Artengruppen steigt dagegen die Evolutionsgeschwindigkeit an [10]. Somit verdichten sich die Hinweise, dass die phänotypische Plastizität sowohl für die Interaktion der Organismen mit der Umwelt als auch für die Entstehung der Formenvielfalt über längere evolutionäre Zeiträume von Bedeutung ist.

Literaturhinweise

1.
Pigliucci, M.
Phenotypic plasticity
John Hopkins University Press, Baltimore (2001)
2.
West-Eberhard, M.-J.
Developmental plasticity and evolution
Oxford University Press, Oxford (2003)
3.
Sommer, R. J.; Carta, L. K.; Kim, S.-Y.; Sternberg, P. W.
Morphological, genetic and molecular description of Pristionchus pacificus sp. n. (Nematoda, Diplogastridae)
Fundamental and Applied Nematology 19, 511-521 (1996)
4.
Sommer, R. J. (Ed.)
Pristionchus pacificus – A nematode model organism for comparative and evolutionary biology
Brill, Leiden (2015)
5.
Witte, H.; Moreno, E.; Rödelsperger, C.; Kim, J.; Kim, J.-S.; Streit A.; Sommer, R. J.
Gene inactivation using the CRISPR/Cas9 system in the nematode Pristionchus pacificus
Development Genes and Evolution 225, 55-62 (2015)
DOI
6.
Herrmann, M.; Mayer, W.; Hong, R.; Kienle, S.; Minasaki, R.; Sommer, R. J.
The nematode Pristionchus pacificus (Nematoda: Diplogastridae) is associated with the Oriental beetle Exomala orientalis (Coleoptera: Scarabaeidae) in Japan
Zoological Science 24, 883-889 (2007)
DOI
7.
Bento, G.; Ogawa, A.; Sommer, R. J.
Co-option of the endocrine signaling module Dafachronic Acid-DAF-12 in nematode evolution
Nature 466, 494-497 (2010)
DOI
8.
Ragsdale, E.; Müller, M. R.; Roedelsperger, C.; Sommer, R. J.
A developmental switch coupled to the evolution of plasticity acts through a sulfatase
Cell 155, 922-933 (2013)
DOI
9.
Kieninger, M. R.; Ivers, N. A.; Rödelsperger, C.; Markov, G. V.; Sommer, R. J.; Ragsdale, E. J.
The nuclear hormone receptor NHR-40 acts downstream of the sulfatase EUD-1 as part of a developmental plasticity switch in Pristionchus
Current Biology 26, 2174-2179 (2016)
DOI
10.
Susoy, V.; Ragsdale, E. J.; Kanzaki, N.; Sommer, R. J.
Rapid diversification associated with a macroevolutionary pulse of developmental plasticity
eLife 4: e05463 (2015)
DOI
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