Asexuelle Fortpflanzung führt normalerweise zu einem Mangel an genetischer Vielfalt. Nicht für diese Ameisen.

16. Juli 2024

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von der Rockefeller University

Genetische Vielfalt ist für das Überleben einer Art unerlässlich. Es ist einfach genug, zu bewahren, wenn eine Art sich sexuell reproduziert; ein Ei und ein Spermium kombinieren genetisches Material von zwei Lebewesen zu einem, wodurch ein genetisch robustes Nachkommen mit zwei verschiedenen Versionen des Genoms der Art entsteht.

Ohne diese Kombination verschiedener genetischer Ausstattungen leiden asexuell reproduzierende Arten typischerweise unter einem Mangel an Vielfalt, der sie zu einem begrenzten Lauf auf der Erde verurteilen kann. Ein solches Tier sollte die klone Raubameise sein, die Tochter um Tochter direkt aus einem unbefruchteten Ei durch Parthenogenese, einer Methode der asexuellen Fortpflanzung, bei der das Nachkommen zwei Sätze genetisch identischer Chromosomen von seiner Mutter erbt, produziert.

Im Laufe der Zeit sollte die zufällige Vererbung dieser Chromosomen auf endlose Wiederholung zu einem katastrophalen Verlust genetischer Besonderheiten und letztendlich zum Zusammenbruch der Art führen. Und dennoch scheint dieses blinde, königinnenlose Insekt – ein Einheimischer aus Bangladesch, der heute in tropischen Regionen auf der ganzen Welt zu finden ist – ganz gut zu überleben. Wie ist das möglich?

Wie Forscher der Rockefeller University kürzlich entdeckt haben, setzt die klone Raubameise nicht auf Glück, wenn es darum geht, ihre Gene weiterzugeben. Stattdessen stellt sie sicher, dass Nachkommen zwei verschiedene Versionen ihres gesamten Genoms erben, wodurch die genetische Vielfalt erhalten bleibt, die beim antiken Gründer jeder Klone vorhanden ist.

Theoretisch sollte das nicht funktionieren: Chromosomen sollen sich während der Meiose, der Art der Zellteilung, die zur Bildung von Spermien- und Eizellen bei der Fortpflanzung in allen Tieren, Pflanzen und Pilzen verwendet wird, zufällig mischen. Doch bei diesem Tier scheint der Prozess alles andere als zufällig zu sein, wie sie in Nature Ecology & Evolution berichteten.

'Wir glauben, wir haben entdeckt, wie die klone Raubameisen den Verlust genetischer Vielfalt vermeiden, der normalerweise durch Parthenogenese entsteht,' sagt Erstautor Kip Lacy, ein Doktorandenstipendiat im Labor für Soziale Evolution und Verhalten unter der Leitung von Daniel Kronauer. 'Vielleicht ermöglicht diese Vielfalt das Überleben der Art.'

Parthenogenetische Arten sind selten, aber in einer Vielzahl von Lebensformen zu finden, einschließlich Reptilien, Amphibien, Fadenwürmern, Fischen und Vögeln. Ihre Chancen auf langfristiges Bestehen sind gering. 'Rein asexuelle Arten neigen dazu, ziemlich schnell auszusterben,' sagt Lacy.

'Sich klonal zu vermehren ist sozusagen eine Einbahnstraße zum Verfall,' fügt Kronauer hinzu. 'Jedes Mal, wenn es eine leicht schädliche Mutation gibt, kann man sie nicht aus dem Genom löschen, was im Laufe der Zeit nur zu mehr Mutationen führt.'

Das Problem beginnt mit zwei Herausforderungen, die asexuelle Arten auf zellulärer Ebene überwinden müssen. Erstens müssen sie diploide Genome herstellen, die zwei Chromosomensätze enthalten, um sie an ihre Nachkommen weiterzugeben.

'Aber wenn du eine klone Raubameise bist,' erklärt Lacy, 'ist kein Sperma am Reproduktionsprozess beteiligt, also woher bekommst du einen zusätzlichen Satz Chromosomen?'

Zweitens muss das Nachkommen eine genetische Ausstattung haben, die mit Entwicklung und Fortpflanzung kompatibel ist – was viele asexuelle Arten, die mit zwei genetisch identischen Chromosomensätzen belastet sind, nicht haben.

Lacy interessierte sich bereits während seines Masterstudiums an der Universität von Georgia für Parthenogenese, als er die tropische Feuerameise studierte, von der einige Kolonien asexuell Königinnen produzieren. Wie er feststellte, hatten diese Ameisen fast vollständig ihre genetische Vielfalt verloren. Als er 2019 Kronauers Labor beitrat, wollte er herausfinden, wie die klone Raubameise diesen Fallstricken entgehen könnte.

Während der Meiose brechen Chromosomen auseinander und rekombinieren, was zu neuen Kombinationen von Genkopien führt. Nachdem diese sogenannten Kreuzungsereignisse stattgefunden haben, werden die Chromosomen zufällig durch Zellteilungen gemischt.

Bei der parthenogenetischen Fortpflanzung nutzt eine klone Linie zwei identische chromosomale Sätze, 'also erwartet man, bei jedem Zyklus eine Menge Vielfalt zu verlieren,' sagt Kronauer. Es ist wie das Verdünnen der genetischen Suppe.

Um zu verstehen, warum dies für die klone Raubameisen möglicherweise nicht zutrifft, konzentrierten sich die Forscher auf Mutter-Tochter- und Schwester-Schwester-Paare von Ameisen. Um sicherzustellen, dass sie echte Familien-Duos hatten, verfolgten sie transgene Ameisen, die rot leuchten, wenn sie unter einem Mikroskop betrachtet werden – eine bahnbrechende Methode der genetischen Manipulation, die im Labor von Kronauer von der Forscherin Taylor Hart entwickelt wurde. Diese Paare waren die einzigen Tiere in ihren Kolonien, die leuchteten.