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Genetik & Evolution

UV-Schillern an- und ausgeschaltet

Orange-Sulphur-Falter mit UV-Fotografieüberlagerungen, die das Schillern in ultraviolettem Licht verdeutlichen. (Bild: Vincent Ficarrotta / Die George Washington Universität)

Wodurch halten sich verwandte Arten voneinander getrennt? Wie „schalterartig“ die Mechanismen dabei manchmal sein können, zeigt nun eine Studie auf: Forscher haben ein einzelnes Gen identifiziert, das bei zwei Schmetterlingsarten darüber bestimmt, ob die Flügel UV-Licht reflektieren. Das System mit Signaleffekt sorgt nur bei den Männchen einer der beiden Arten für UV-Schillern. Demnach schränkt das genetische Merkmal offenbar ein, dass sich Weibchen artfremd „verlieben“, erklären die Wissenschaftler.

Sei es durch geografische Barrieren oder unterschiedliche Spezialisierungen – im Laufe der Evolution haben sich Arten in immer neue aufgespalten. So entstanden etwa aus gemeinsamen Vorfahren die Esel, Pferde oder Zebras. Besonders deutlich wird der evolutionäre Prozess auch bei den Schmetterlingen: Aus Vorläufern entwickelten sich unterschiedliche Spezies, indem sie sich an verschiedene Nahrungsquellen und Umweltbedingungen anpassten. Die oft noch nah verwandten Arten unterscheiden sich dabei bekanntlich oft anhand bestimmter Farben und Muster. Man geht davon aus, dass diese äußerlichen Merkmale auch dazu dienen, Hybridisierungen zwischen den Spezies zu vermeiden. Denn dabei kann es zu genetischen Inkompatibilitäts-Effekten kommen, die Fitness und Fruchtbarkeit von Hybriden beeinträchtigen. Über die genetischen Hintergründe solcher „Identitätsmerkmale“ ist aber bisher wenig bekannt.

Männlichem Glanz auf der Spur

„Als Evolutionsbiologen sind wir daran interessiert, Erbanlagen zu identifizieren und zu verstehen, die für die physischen Unterschiede zwischen Arten verantwortlich sind“, sagt Arnaud Martin von der George Washington University in Washington DC. Im Rahmen ihrer Studie haben er und seine Kollegen deshalb zwei nordamerikanische Schmetterlingsarten mit interessanten Eigenschaften untersucht: den Orange Sulphur (Colias eurytheme) und den Clouded Sulphur (Colias philodice). Die beiden verwandten und teils gemeinsam vorkommenden Arten sehen sich auf den ersten Blick sehr ähnlich – doch es gibt ein auffälliges Unterscheidungsmerkmal, das für uns allerdings erst durch spezielle Kameras deutlich wird: Die Flügel des männlichen Orange-Sulphur-Falters reflektieren UV-Licht, die seiner Weibchen hingegen nicht. Im Gegensatz dazu zeigen die Clouded-Sulphur-Falter beiderlei Geschlechts kein Schillern im UV-Licht. Es liegt somit nahe, dass die UV-irisierenden Flügel der männlichen Orange-Sulphur-Falter den Weibchen helfen, die optimal passenden Männchen zu erkennen, erklären die Forscher.

Bei der Studie sind die Forscher nun durch genetische Vergleiche dem Hintergrund des visuellen Effekts nachgegangen. Ihre Analysen belegten, dass es zwischen den beiden Schmetterlingsarten offenbar durchaus zu Hybridisierungen gekommen ist, was zu einem teilweisen Austausch von genetischen Merkmalen führte. Die Eigenschaften der Chromosomen der Schmetterlinge ähnelten sich deshalb auch stark – mit einer Ausnahme: Die Geschlechtschromosomen unterscheiden sich vergleichsweise deutlich. Dies deutete darauf hin, dass das Geschlechtschromosom Schlüsselgene beherbergt, die die beiden Arten separat hält – darunter auch die UV-Färbung.

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Ein Gen für die Arterkennung

Durch weitere genetische Analysen rückte dann schließlich ein spezielles Gen auf den Geschlechtschromosomen ins Visier der Forscher, das an der Bildung der mikroskopischen Schuppen auf den Flügeln der Schmetterlinge beteiligt ist. Die Merkmale dieser Strukturen sind wiederum für das Aussehen verantwortlich. Wie sich zeigte, ist das sogenannte Bric-a-Brac-Gen bei den Faltern in den Flügeln aktiv – allerdings mit einer Ausnahme: Bei den männlichen Orange-Sulphur-Faltern liegt es ausgeschaltet vor, ging aus den genetischen Untersuchungen hervor. Offenbar führt das Fehlen der Genfunktion somit zur Bildung ihrer UV-irisierenden Schuppen.

Dies konnten die Forscher anschließend mithilfe der Genom-Editierungstechnik CRISPR bestätigen: Sie entfernten das Bric-a-Brac-Gen aus dem Genom aller Falter. So zeigte sich: „Große Teile des Körpers der Schmetterlinge waren nun mit UV-reflektierenden Schuppen bedeckt, auch die der Clouded-Sulphur-Falter. Schuppen, die normalerweise nur gelb oder orange sind, reflektierten nun UV-Licht“, berichtet Co-Autor Vincent Ficarrotta. Co-Autor Joe Hanly ergänzt dazu: Direkt vor unseren Augen zeichnete sich damit ein Gen ab, das dafür sorgt, dass diese Arten unterschiedlich aussehen“. Mithilfe eines Hochleistungselektronenmikroskops konnte das Team zudem verdeutlichen, wie das Vorhandensein oder Fehlen des Gens die Nanostruktur der Schuppen verändert, wodurch die visuellen Merkmale der Schmetterlinge beeinflusst werden.

„Unserer Ergebnisse dokumentieren, wie ein einziges Gen bestimmen kann, ob die ultraviolette Färbung bei zwei verschiedenen Schmetterlingsarten ein- oder ausgeschaltet vorliegt. Da sich die geografischen Verbreitungsgebiete dieser beiden Arten überschneiden, ist diese visuelle Unterscheidungsmöglichkeit umso wichtiger, wenn es darum geht, Partner zu finden“, resümiert Martin.

Durch weitere Untersuchungen wollen er und seine Kollegen nun klären, wie die Aktivität des Bric-a-Brac-Gens natürlicherweise reguliert wird. Die Wissenschaftler hoffen zudem, dass das interessante Schmetterlingsarten-Duo auch für weitere evolutionsbiologische Einblicke sorgen kann.

Quelle: George Washington University, Fachartikel: PNAS, doi: 10.1073/pnas.2109255118

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