13.04.2010 · Sie gehören zu den phylogenetisch ältesten Insekten und ihr nun entziffertes Erbgut überstrahlt alle anderen bisher unersuchten Insektengenome: ein großer Auftritt für die Erbsenlaus.
Von Karin Hollricher
© Iowa State University/ Marlin E. Rice
Eine Erbsenlaus, Acrythosiphon pisum
Wer geglaubt hatte, mit der genetischen Entzifferung der Tau- oder Fruchtfliege oder der Genomanalyse der Honigbiene und anderer Insekten seien die aufregenden Zeiten der Insekten-Molekularbiologen vorbei, sieht sich arg getäuscht. Ein echtes Highlight jedenfalls gibt es noch: das Erbgut der Erbsenlaus Acrythosiphon pisum. Darüber haben unlängst Forscher des "International Aphid Genomics Consortium" in der Online-Zeitschrift "Plos Biology" berichtet.
Ihr überraschendes Fazit: Im Erbgut der Laus findet man mehr Gene als in jedem anderen bisher sequenzierten Insektengenom - und besser noch: Ein Fünftel der Gene war vorher tatsächlich völlig unbekannt. Außerdem wurden Kopien von mehr als zweitausend Genen entdeckt. Es ist aber nicht bei der Auflistung von Genen und Funktionen geblieben, sondern verschiedene Forschergruppen haben auch erste interessante Rückschlüsse auf Entwicklung, Fortpflanzung, Artenbildung und Phylogenie dieser Insekten sowie ihre Spezialisierung auf Erbsen als Wirtspflanze gezogen. Mit solchen Informationen füllten die Forscher eine komplette Sonderausgabe der Zeitschrift "Insect Molecular Biology". Die Lektüre des jetzt veröffentlichten Heftes über die Erbsenlaus verdeutlicht, welche wissenschaftlichen Schätze die Genomforschung möglicherweise noch bereithält.
Entwicklungsbiologisch aufschlussreich
Erbsenläuse gehören zu den phylogenetisch ältesten Insekten, der Ordnung der Hemipteren, den Schnabelkerfen. Entwicklungsbiologisch sind Erbsenläuse besonders spannend. Erstens durchlaufen sie keine vollständige Metamorphose wie Käfer oder Fliegen. Die jungen Lausnymphen sind vielmehr bereits kleine Ausgaben der erwachsenen Tiere. Zweitens vermehren sich Läuse im Frühjahr und Sommer asexuell - Weibchen gebären nur lebende weibliche Nachkommen. Im Herbst dagegen entstehen auch Männchen. Sie verpaaren sich mit den Weibchen, die daraufhin Eier legen, aus denen im nächsten Frühjahr wieder nur Weibchen schlüpfen. Als dritte Kuriosität entstehen mal geflügelte und mal ungeflügelte Nachkommen.
All diese verschiedenen Entwicklungsprogramme stecken in ein und demselben Genom. Es ist der Wissenschaft bisher ein Rätsel, wie die Insekten die für jede Lebensweise und -form nötigen Gene auf den Punkt aktivieren und andere stilllegen. Im Vergleich mit den Genomen von Fruchtfliegen, Bienen und Käfern zeigt sich, dass die Läuse manche Entwicklungsgene verloren, andere verdoppelt haben, die Mehrheit des Repertoires an Entwicklungsgenen aber teilen sie mit den anderen Insekten. Dazu gehört sogar ein Gen namens Broad, welches in Insekten mit Metamorphose die Verpuppung initiiert - und das die Laus also eigentlich gar nicht braucht. Möglicherweise hat es eine neue Funktion übernommen. Die Forscher vermuten nun, dass unterschiedliche Lebensweisen nicht durch die pure An- oder Abwesenheit von Entwicklungsgenen gesteuert werden, sondern durch eine differenzierte Kontrolle der Aktivität ebendieser Gene. Immerhin wurden 640 mögliche Transkriptionsfaktoren im Lausgenom gefunden.
Genetische Aufschlüsse über Symbiosen
Läuse leben wie viele andere Insekten seit langem in Symbiose mit Bakterien, die beim Auf- oder Abbau von Zuckermolekülen, Vitaminen oder Aminosäuren helfen. In speziellen Zellen der Erbsenläuse, in Bakteriozyten, hausen Bakterien der Art Buchnera aphidicola. Deren Genom wurde bereits vor zehn Jahren sequenziert. Aus dem Vergleich der Gene beider Organismen konnten die Forscher nun ableiten, wie Insekten und Mikroorganismen sich gegenseitig bei der Herstellung fünf essientieller Aminosäuren unterstützen. Ein Beispiel: Buchnera aphidicola wandelt die Aminosäure Aspartat in Threonin um. Daraus stellen die Läuse Oxobutanoat her, das die Bakterien in ein weiteres Molekül umwandeln, woraus wiederum die Insekten schließlich Isoleucin formen. Wie aber Moleküle zwischen Insektenzellen und Bakterien hin und her geschleust werden, ist noch nicht geklärt.
Die Forscher glauben, dass die Mikroorganismen bestimmte Gene verloren haben, weil die Läuse ihnen bestimmte Zwischenprodukte der Aminosäuresynthese zur Verfügung stellten. Möglicherweise können die Läuse durch eine kontrollierte Zufuhr von Aminosäuren und deren Vorstufen die Vermehrung der Bakterien steuern. Die Mikroorganismen versorgen ihre Wirte zudem mit Stickstoffverbindungen, die nicht im Pflanzensaft enthalten sind, von dem die Insekten sich ernähren. Pflanzensäfte sind indes reich an Zuckermolekülen. Das macht plausibel, dass im Lausgenom rund 200 Gene gefunden wurden, die für verschiedene Zuckertransportmoleküle kodieren.
Die Auswertung der Genomdaten aus der Erbsenlaus hat noch einen weiteren höchst überraschenden Aspekt ergeben: Die Tiere haben quasi keine eigene Immunabwehr. Jedenfalls fanden die Forscher nur wenige der Gene, mit denen beispielsweise Taufliegen Krankheitserreger abwehren. Wie die Läuse dennoch überleben können, ist völlig unklar. Möglicherweise hat eine Laune der Evolution die Reproduktionsfähigkeit auf Kosten der Abwehr maximiert, so dass die Tiere ihre Verluste durch die schiere Menge an Nachkommen ausgleichen.
