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Paedocypris – Miniaturisierte Fische mit winzigen Genomen

Zwergbärblinge (Paedocypris) sind die kleinsten Fische der Welt. Ihnen fehlen etliche Teile des Skeletts und geschlechtsreife Tiere sind nur knapp acht Millimeter gross. Ein internationales Forschungsteam unter Mit-Leitung von Dr. Lukas Rüber vom Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern hat zum ersten Mal die Genome von zwei Vertretern dieser faszinierenden Fische sequenziert. Sie fanden heraus, dass sich die einfache Anatomie der Fische auch in deren Genen widerspiegelt.

Miniaturisierung, also die Evolution winziger Körpergrössen ist innerhalb der Familie der Karpfenfische mehrmals entstanden und ist das Ergebnis zweier unterschiedlicher Evolutionsprozesse. Einerseits findet man proportionalen Zwergwuchs, bei dem die geschlechtsreifen Adulttiere miniaturisierten, aber sonst nahezu identische Kopien ihrer grösseren Vorfahren darstellen. Anderseits hat sich Entwicklungsverkürzung (Progenese) evolviert, bei der die geschlechtsreifen Adulttiere aussehen wie Larven-Stadien ihrer grösseren Vorfahren. Mit über 40 fehlenden Knochen und einem überwiegend aus Knorpel bestehenden, larvenähnlichen Skelett, gehört Paedocypris zur zweiten Kategorie, also den entwicklungsverkürzten Zwergfischen. Spiegelt sich dieser hohe Grad an anatomischer Vereinfachung von Paedocypris auch im genetischen Aufbau dieser Fische wieder? Um diese spannende Frage zu beleuchten hat ein internationales Team die vollständigen Genome zweier Paedocypris Arten sequenziert und genauer analysiert. Ihre Forschungsergebnisse sind per 19. April 2018 in der Fachzeitschrift Genome Biology and Evolution publiziert.

Viele Schlüsselgene fehlen

Dr. Martin Malmstrøm, der Erstautor der Studie von der Universität Oslo, und seine Co-Autoren fanden, dass wie ihre Anatomie auch die Genome von Paedocypris stark vereinfacht sind: ihre Genome sind stark in der Grösse reduziert und gehören zu den kleinsten bekannten Wirbeltiergenomen überhaupt. Diese Genom-Miniaturisierung wurde bei Paedocypris durch die Evolution kürzerer Gene als Resultat einer signifikanten Reduktion von nicht-kodierenden und repetitiver DNA erreicht und interessanterweise nicht durch den Verlust einer grossen Anzahl Gene. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen fanden die Forscher überraschenderweise, dass bei Paedocypris eine grosse Anzahl von Genen fehlen, die sonst bei Wirbeltieren eine Schlüsselrolle bei der Skelett-, Muskel- und Nervenbildung spielen. Dieser ausserordentliche Genverlust spiegelt die Simplifizierung anatomischer Strukturen wider, die man bei diesen miniaturisierten Arten vorfindet. Die bei weitem überraschendste Entdeckung ist der beispiellose Verlust von sogenannten «Hox-Genen», die sonst bei der Gliederung des Embryos entlang der Körperachse in der frühen Entwicklung unverzichtbar sind. «Obwohl die miniaturisierten Paedocypris in mehreren Aspekten wahrhaft spektakuläre Fische sind, hätten wir nie erwartet das ihnen verglichen mit dem nahe verwandten Zebrafisch 15-20% des Hox-Gen Repertoires fehlen», sagte Malmstrøm. «Wir waren sehr erstaunt als wir herausfanden, dass die einzigartigen Reduktionen in der anatomischen Struktur von Paedocypris Hand in Hand gehen mit einer ebenso einzigartigen Reduktion in ihrem Genom. Dies wirft natürlich spannende Fragen zum kausalen Zusammenhang dieser zwei Phänomene auf.»

Mehrere Mitglieder der Familie der Karpfenfische die Entwicklungsverkürzung aufweisen, zeigen auch interessante evolutive Neuheiten oder Innovationen ihrer Anatomie wie zum Beispiel ein hochgradig modifizierter Brust- und Schultergürtel, eine Verschiebung der Genitalöffnung und des Anus zum Kopf hin, von Kieferknochen gebildete Strukturen, die Vampirzähnen gleichen, und ein lauterzeugender Trommelapparat. «Unsere Entdeckung des kompakten Genoms bei Paedocypris dient als wichtiger Startpunkt um das komplexe Zusammenspiel zwischen evolutiver Innovation, Miniaturisierung, Entwicklungsverkürzung und genomischer Architektur zu verstehen», erklärt Dr. Ralf Britz, Co-Autor vom Naturhistorischen Museum in London. Lukas Rüber, Forscher am Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern und Kurator am Naturhistorischen Museum Bern, ergänzt: «Wir denken, dass unsere Untersuchung einen grossen Schritt vorwärts darstellt in unserem Bestreben die Erzeugung der faszinierenden phänotypischen Vielfalt während der Evolution und der Entwicklung der Wirbeltiere zu verstehen.»

Die kleinsten Fische sind bedroht

Eine Anzahl von Studien zu unterschiedlichen Aspekten der Biologie, Anatomie und der Genomik von Paedocypris weisen aber auch auf eine oft vergessene Tatsache hin: nämlich die ernsthafte Gefährdung dieses einmaligen und wissenschaftlich extrem interessanten Bestandteils unserer Biodiversität. Paedocypris kommt ausschliesslich in den Torfsumpfwäldern Südostasiens vor, einem hochgefährdeten Lebensraum, der auch eine grosse Anzahl weiterer Fische, Landwirbeltiere und Wirbellose beherbergt, die nur in diesem Habitat vorkommen. Rüber, der mehrmals wissenschaftliche Aufsammlungen in den Torfsumpfwäldern durchgeführt hat, merkt dazu mahnend an: «Die Zeit um die Artenvielfalt dieser einmaligen Lebensräume zu entdecken und zu untersuchen läuft definitiv ab, da die Torfsumpfwälder und die einmalige Fauna, die sie beherbergen, rasant verschwinden. Die Torfsumpfwälder werden entwässert, ihre Bäume abgeholzt und die kahlen Flächen oft durch ausgedehnte Ölpalmplantagen ersetzt. Diese beispiellose Habitatszerstörung führt letztlich zum Verlust einer grossen Anzahl von faszinierenden miniaturisierten Fischen einschliesslich dem kleinsten Fisch der Welt!»

Quelle: Naturhistorisches Museum Bern

Angaben zur Publikation:

Martin Malmstrøm, Ralf Britz, Michael Matschiner, Ole K Tørresen, Renny Kurnia Hadiaty, Norsham Yaakob, Heok Hui Tan, Kjetill Sigurd Jakobsen, Walter Salzburger, Lukas Rüber (2018) The most developmentally truncated fishes show extensive Hox gene loss and miniaturized genomes, Genome Biology and Evolution, https://doi.org/10.1093/gbe/evy058

 

19.04.2018