Der Wert des Schwerts: Mein Jugendwerk

Mexikanischer Fisch auf ungarischer Briefmarke
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Als der Redakteur des Laborjournals neulich die Idee hatte, ich könnte doch einen Beitrag über das Genom des Spiegelkärpfling schreiben (der ist jetzt hier), da hat mich meine fischige Vergangenheit eingeholt. Vor etwas mehr als 10 Jahren nämlich habe ich an der Universität Konstanz meine Diplomarbeit zum Thema „Molecular Basis of Fin Regeneration in Swordtails“ abgegeben. In diesem Jugendwerk ging es um die Schwanzflosse des „Schwertträgers“ . Schwertträger sind nahe mit dem Platy (Spiegelkärpfling) verwandt, dessen Genomsequenz kürzlich in Nature Genetics vorgestellt wurde, sie unterscheiden sich aber von den Platys durch eine Besonderheit: Wenn Männchen der Art in die Pubertät kommen, wächst ihnen eine enorme, farbig verzierte Schwanzflosse, eben das namengebende „Schwert“ .

Dieses Prunkstück scheint nur einen einzigen Nutzen zu haben – die Weibchen fahren wie wild darauf ab und paaren sich bevorzugt mit demjenigen Männchen, dessen Anhängsel das der Konkurrenten überragt; ein Paradebeispiel für Sexuelle Selektion, ähnlich dem „Rad“ der Pfauenmännchen oder dem Federkleid diverser Paradiesvögel.

Für die evolutionären Ursachen der weiblichen Vorliebe für derart nutzlosen Schmuck gibt es diverse Theorien. Möglich, dass „Handicaps“ dieser Art auf genetische Stärke hinweisen – nur ein Männchen mit „guten Genen“ kann überleben,wenn es derart hinderliche Ornamente mit sich herumschleppt. Das ist aber nur eine Erklärungsmöglichkeit, und gerade für die Guppies, nahe Verwandte des Schwertträgers, ist auch eine andere Idee plausibel, die „pre-existing bias“- Hypothese. Anhänger dieser Idee gehen davon aus, das die Weibchen aus erst einmal ganz anderen Gründen auf bestimmte Reize, z.B. leuchtende Farben, ansprechen – etwa, weil ihre Nahrungsquellen farbig sind. Männchen klinken sich mit ihren Merkmalen sozusagen in die existierenden Sinnespräferenzen der Weibchen ein. (Natürlich ist das nicht eine bewusste Entscheidung der Männchen. Korrekt sollte man sagen: Zufällige Mutationen beispielsweise in Pigmentierungsgenen verschaffen Männchen mit dieser Mutation einen Vorteil bei der Balz , weil Weibchen die farbigen Männchen aufgrund ihres „pre-existig bias“ attraktiver finden als die Artgenossen. )

Wie auch immer, in meiner Diplomarbeit damals ging es weniger darum, warum das Schwert im Laufe der Evolution entstand, sondern ich wollte wissen, wie es im Laufe der Pubertät eines Schwertträgerjünglings gemacht wird, welche Gene im Entwicklungsprogramm aktiv werden müssen, um das Prachtgehänge zu produzieren.

Dazu habe ich mit scharfer Rasierklinge diversen Schwertträgermännern ihre Schwanzflosse mitsamt männlichem Stolz abgeschnitten und schliesslich einen Transkriptionsfaktor namens msxC gefunden, der in den Schwertflossen aktiver war als in den „normalen“ Flossenstrahlen. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die Steuerelemente der DNA erkennen und so wie eine Art Schalter fungieren, der andere Gene an- oder abschaltet. Ich konnte das Auswachsen des Schwerts auch „künstlich“ hervorrufen, indem ich einem Aquarium mit prä-pubertären Fischen Testosteron zugab, und wieder wurde das Gen mscX in den Schwert-Flossenstrahlen angestellt (mein Betreuer Gerrit Begemann und ich haben diese Ergebnisse damals für „Evolution and Development“ aufgeschrieben; nachzulesen hier).

Zeitraubend waren dabei weniger die Experimente mit den Fischen selbst, sondern die Jagd nach den Kandidatengenen. Ich hatte eine Handvoll Gene im Auge, die ich mir näher anschauen wollte, aber von Xiphophorus gab es damals nur wenige DNA-Sequenzen in den Datenbanken. Ich musste also mühsam selbst nach den Genen fischen (für die Profis unter meinen Lesern: mit „degenerierten Primern“) – ein zeitraubendes Glücksspiel. Daran musste ich wieder denken, als ich jetzt den Artikel über das entschlüsselte Platy-Genom schrieb – meine Diplomarbeit wäre soviel einfacher gewesen, hätte ich diese Daten vor 10 Jahren schon gehabt!

Jetzt wäre auch endlich ein spannendes Experiment realistisch, das wir damals oft theoretisch durchgespielt hatten:

Meine Arbeit war vielleicht deshalb etwas Besonderes, weil noch nie zuvor jemand die Entwicklungsbiologie des Schwerts auf molekulare Ebene angeschaut hat – die meisten Studien an diesen Tieren seit den 70erJahren drehten sich um Verhalten und Phylogenie. Aber es war eben nur ein erster Schritt, die Entwicklungsgenetik des Merkmals zu verstehen. Wirklich interessant, damals aber nicht realistisch, wäre die Verknüpfung von genetischer Information über Schwertentwicklung und Schwertevolution.

Anders gesagt, in welchen Genen sind im Lauf der Evolution Mutationen aufgetreten, die ursächlich für die Ausbildung des Schwerts waren? Nochmal anders gesagt, welche Genvarianten, in welchen genetischen Netzwerken, bevorzugten die Schwertträgerweibchen mit ihrer extravaganten Zuchtwahl?

Platy – Schwertlos, aber Genomstar
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Was wäre zu tun, um diese Gene zu finden? Der jetzt sequenzierte Platy hat kein Schwert, aber es ist möglich, Hybride zwischen Platy und Schwertträgern zu züchten. Man muss dazu etwas nachhelfen und die Weibchen künstlich befruchten (Platy und Schwertträger sind lebendgebärend und praktizieren interne Befruchtung. Der Penis heißt morphologisch korrekt „Gonopodium“, leitet sich aus der Analflosse ab und kann im Experiment durch eine hohle Nadel mit angestecktem Plastikschlauch ersetzt werden).

Die Forscher Zanders und Dzwillo hatten dieses Kreuzungsexperiment schon 1969 durchexerziert. In Folgegenerationen der im Labor erzeugten Hybride fanden sich einige Fische mit langen Schwertern wie beim „reinen“ Schwertträger, auch einige ganz ohne Schwert wie beim Platy, und viele Männchen mit „mittleren“ Schwertlängen. Daraus kann man erst mal nur schließen, dass mehrere Gene an der Ausbildung des Schwerts beteiligt sind.

Aber welche Gene sind das? Mit den Genomdaten und den genetischen Markern, die es für X. maculatus gibt, könnte man diese Frage jetzt angehen. Wie Zander und Dzwillo müsste man dazu Platy und Schwertträger kreuzen, in den Folgegenerationen der Hyrbide die Schwerter vermessen und dann nach Regionen im Genom suchen, die mit der Schwertlänge korrelieren (für die Profis : eine QTL-Analyse, QTL= Quantitative Trait Locus). Na gut, für eine Diplom-/Masterarbeit wäre das nach wie vor zu ambitioniert, alleine das Züchten der zwei Generationen dauert etwa ein halbes Jahr. Aber ein wagemutiger Doktorand oder Postdoc könnte das jetzt versuchen.

Und wozu? Wie man oben sieht, sind die Ideen rund um die sexuelle Selektion des Schwertträgers hypothesenlastig und datenarm – es gibt viel Spekulation über potentielle Ursachen der weiblichen Vorlieben, aber recht wenig harte Fakten über die Gene, die den entscheidenden Unterschied machen zwischen auserwählten und den verschmähten Männchen. Wir werden sexuelle Selektion besser verstehen, wenn wir wissen, welche genetischen Mechanismen den männlichen Prunk hervorbringen.

Ich bin damals nach der Diplomarbeit übrigens taxonomisch ein paar Klassen abgerutscht, in die Fadenwurmliga. Die haben auch ein bizarres Sexleben, aber diese Geschichte erzähle ich mal in einem anderen Beitrag.

 

Quelle:

Zander, C. D., and M. Dzwillo. “Untersuchungen zur Entwicklung und Vererbung des Caudalfortsatzes der Xiphophorus-Arten (Pisces).” Zeitschrift für Wissenschaftliche Zoologie 178 (1969): 276-315.

 

Und hier noch ein Zuckerl aus der etwas verstörenden Youtube-Playlist “Fish Videos with Strange Soundtracks“:

Beweis, dass Platy lebendgebärend ist, begleitet von Brahms Wiegenlied. (Wer keine Geduld hat: gleich zu min. 2 springen, da sieht man das Baby rausploppen)