Die dunkle genetische Vergangenheit der Pfeffermotte enthüllt

Eine genetische Analyse entschlüsselt die Geheimnisse eines der bekanntesten Beispiele für natürliche Auslese – die dunkle Form der Pfeffermotte, die sich in der industriellen, rußigen Umgebung Großbritanniens im 19. Jahrhundert schnell ausbreitete.

Ilik Saccheri, Evolutionsbiologe an der University of Liverpool, UK, und seine Kollegen haben mit Hilfe der Molekulargenetik gezeigt, dass eine Mutation von einem einzigen Vorfahren eine erhöhte dunkle Pigmentierung, Melanismus genannt, bei der typischerweise hellen Motte verursacht. Ihre Ergebnisse werden heute in Science1 veröffentlicht.

„Das ist ein großer Durchbruch, was den industriellen Melanismus der Pfeffermotte betrifft“, sagt Laurence Cook, ein pensionierter Populationsgenetiker von der Universität Manchester, Großbritannien, der die Pfeffermotte seit den 1960er Jahren untersucht. „

Die typische Form des Pfefferspinners (Biston betularia) hat helle Flügel, die mit kleinen dunklen Flecken gesprenkelt sind – eine Tarnung, die gut geeignet ist, um sich auf der Rinde der für ihren Lebensraum typischen Birken vor Raubvögeln zu verstecken. Doch nach der industriellen Revolution sowohl in Großbritannien als auch in Nordamerika wurde die Luft mit dunklem Ruß verschmutzt, der viele Oberflächen, auch Bäume, bedeckte.

Zu dieser Zeit erlebte eine dunkle Form des Birkenspanners einen Populationsboom, wahrscheinlich, weil Raubvögel ihn auf den rußigen Oberflächen nicht gut sehen konnten und stattdessen die helle Form fraßen. Als in den 1970er Jahren Vorschriften die Luftverschmutzung reduzierten, gingen die Populationen der dunklen Motten zurück und die hellere Form lebte wieder auf.

Solche offensichtlichen Populationsveränderungen über einen relativ kurzen Zeitraum haben die Pfeffermotte zu einem Lehrbuchbeispiel für natürliche Selektion gemacht, aber die genetische Grundlage des Aufstiegs und Niedergangs der dunklen Form ist nicht verstanden worden. Frühere Nachweise2 zeigen, dass die dunkle Färbung mit keinem der genetischen Wege verbunden ist, von denen bereits bekannt ist, dass sie Melanismus bei Insekten verursachen, und es war unklar, ob die dunkle Form der Motte mehrmals oder nur einmal aufgetreten ist.

Zuordnung von Merkmalen

Saccheris Team nutzte eine genetische Technik namens Linkage Mapping, um nach dem verantwortlichen Gen zu suchen. Eine Kopplungskarte ordnet Merkmale in Gruppen ein, je nachdem, wie oft sie zusammen an die nächste Generation weitergegeben werden, was anzeigt, wie nah sie auf einem Chromosom beieinander liegen. Je näher die Merkmale in der genetischen Sequenz liegen, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sie bei der Teilung der Geschlechtszellen getrennt werden, und desto wahrscheinlicher ist es, dass sie gemeinsam weitergegeben werden.

Um die Karte zu erstellen, kreuzten Saccheri und seine Kollegen zweimal ein dunkles Mottenmännchen mit einem hellen Weibchen; das Ergebnis waren 132 Nachkommen mit unterschiedlichen Merkmalen. Die Merkmale, die neben der dunklen Färbung am häufigsten vererbt werden, wurden mit Genen der Seidenraupe (Bombyx mori) abgeglichen – einer eng verwandten Mottenart mit sequenziertem Genom.

Die Positionen der Gene für die Merkmale wiesen auf eine schmale Region auf Chromosom 17 hin, wo die Wissenschaftler sagen, dass eine einzige Genvariante wahrscheinlich für den Melanismus des Pfefferspinners verantwortlich ist, obwohl sie noch nicht genau wissen, welche es ist.

Nachdem die Chromosomenregion identifiziert war, untersuchten die Forscher Mottenproben, die zwischen 1925 und 2009 in ganz Großbritannien gesammelt wurden. In der Chromosomenregion, die der Mutation in den dunklen Motten am nächsten lag, drängte sich dieselbe Gruppe von Genvarianten, was ein starker Beweis dafür ist, dass die natürliche Selektion vor kurzem auf eine vorteilhafte Mutation eines Individuums eingewirkt hatte. Wäre eine Mutation schon länger in der Population vorhanden oder käme sie von mehreren Individuen, würde die Selektion von Merkmalen, die gemeinsam vererbt werden, stärker variieren.

„Es ist nicht nur die eine Mutation, die durch die Population gefegt ist, es ist das ganze Stück Chromosom, das per Anhalter mitgenommen wurde“, sagt Saccheri.

Nun, da die Forscher sich einer Chromosomenregion genähert haben, können sie mit Hilfe der genetischen Sequenzierung nach dem Gen suchen, das für den Melanismus der Pfeffermotte verantwortlich ist, und dann seine weitere Funktion bestimmen. Sie können es auch mit dem gleichen Gen in nordamerikanischen Pfeffermotten vergleichen und sehen, ob die gleiche Mutation für den parallelen Aufstieg und Fall der dunklen Motte dort verantwortlich ist.

Außerdem befinden sich einige Schmetterlingsgene, die die Farbe kontrollieren, in der gleichen Chromosomenregion wie die Melanismus-Mutation, so dass die Forscher möglicherweise auf einen noch nicht identifizierten, pigmentsteuernden Weg gestoßen sind, den Motten und Schmetterlinge gemeinsam haben, sagen sie.

Ein besseres Verständnis der Genetik des Pfeffermotts wird „das Paket vervollständigen“ der Forschung über „das beste Beispiel der Anpassung mit natürlicher Selektion, das wir haben“, sagt Bruce Grant, ein pensionierter Populationsgenetiker vom College of William and Mary in Williamsburg, Virginia.