Genom-Analyse Aktenzeichen XY nun gelöst – Geschlechtsbestimmung bei Seedrachen

Seedrachen sind ein bemerkenswertes Beispiel der Evolution. Nun haben Forscher ergründet, wie sich die genetische Basis der Tiere auf ihr ungewöhnliches Erscheinungsbild auswirkt – und wie in den Genen überhaupt die Geschlechter der Tiere abzulesen sind. Klassische X- und Y-Chromosomen fehlen ihnen nämlich.

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Universität Konstanz

Konstanz – Sie sind Meister der Tarnung, grazile Wassergeschöpfe und fürsorgliche Eltern. Seedrachen aus der Familie der Seepferdchen faszinieren durch ihr ungewöhnliches Erscheinungsbild, aber auch durch ihre genetischen Anpassungen an die Umwelt. Nun hat ein internationales Team mit Beteiligung des Evolutionsbiologen Prof. Dr. Axel Meyer von der Universität Konstanz die genetischen Grundlagen einiger äußerer Merkmale des Seedrachens aufgedeckt und auch Details zur Geschlechtsbestimmung der Tiere herausgefunden.

Von Pferden und Drachen unter Wasser

Seedrachen gehören zur Familie der Seepferdchen (Syngnathiden), zu denen auch Seenadeln zählen. Ihren Namen haben sie wegen ihres drachenförmigen Körpers, ihrer auffälligen Färbung und der blattähnlichen Hautanhängsel. Letztere dienen zur Mimikry, denn die „Fetzen“ lassen Seedrachen teilweise wie Makroalgen aussehen.

Wie die anderen Syngnathiden sind Seedrachen durch spezielle Anpassungen und Lebensweisen gekennzeichnet: Sie haben die für Fische typischen Bauchflossen und Schwanzflossen sowie ihre Schuppen verloren, verfügen dagegen aber über einen knöchernen Panzer, der den ganzen Körper umhüllt. Ihr Kopf läuft zu einem röhrenförmigen, zahnlosen Maul zu.

Seepferdchen: Ungewöhnliche Fische

Auch wenn sie nicht so aussehen, zählen Seepferdchen zu den Fischen. Getrocknet werden sie in der traditionellen chinesischen Medizin verwendet, was viele Arten stark gefährdet. Sie schwimmen nicht waagerecht durchs Wasser, sondern gleiten langsam, fast vertikal – wie bei einem Pferd – mit dem Kopf nach unten gebeugt durch Korallenriffe und flache Küstengewässer. Mit ihrem Ringelschwanz können sie sich ähnlich wie Affen an Gegenständen festhalten. Wie bei allen anderen Seepferdchen-Arten werden auch bei Seedrachen die Männchen und nicht die Weibchen „schwanger“, indem sie die leuchtend rosa Eier an ihrem Körper angeklebt tragen und so bis zum Schlüpfen beschützen.

Evolution der Knochen

Unser Skelett trägt die Handschrift von Urzeitfischen

Was es mit den „Fetzen“ der Seedrachen auf sich hat

Um einige Geheimnisse der Seedrachen zu lüften, haben Meyer und seine Projekt-Kollegen aus China, Singapur, Japan und Deutschland das Genom der Tiere sequenziert und die genetische Basis äußerer Besonderheiten untersucht. Dabei konzentrierten sie sich auf die Geschlechtsbestimmung, die fehlenden Zähne und die neu-evolvierten Hautfetzen der Seedrachen. Das Forschungsteam, das von Professor Qiang Lin von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Guangzhou geleitet wurde, zeigte, dass für diese evolutionäre Neuheit eine Reihe von Genen verantwortlich ist, die normalerweise die Flossenentwicklung steuern. Bei den blätterartigen Hautfetzen der Seedrachen handelt es sich um umgewandelte Flossenstrahlen.

Wie die Seepferdchen haben auch Seedrachen ihre Zähne verloren. Sie saugen mit ihrer langen Schnauze ihre Nahrung, kleine Krebse, ein und verschlucken sie unzerkaut. Die Genomanalyse zeigte, dass auch beim Seepferdchen-Verwandten mehrere Gene, die bei anderen Fischen und auch beim Menschen zur Entwicklung der Zähne beitragen, verlorengegangen sind. Das Forschungsteam prüfte die Hypothese auf das hierzu gehörende scpp5-Gen hin, indem es bei Zebra-Fischen, einem gut erforschten Modellorganismus, der über Rachenzähne verfügt, dieses Gen ausschaltete. In den mutierten Fischen waren, wie erwartet, die Zähne reduziert. Die Funktion eines fehlenden Gens, das verantwortlich für den Verlust der Zähne ist, wurde so durch molekularbiologische CRISPR-Cas-Experimente nachgewiesen.

Schwangere Männchen

Typisch für die Seepferdchen-Familie ist ebenfalls, dass ihre männlichen Mitglieder die befruchteten Eier austragen. Während Seepferdchen schon Brutbeutel entwickelt haben, tragen die evolutionsgeschichtlich älteren Seedrachen noch sichtbar die klebrigen Eier unten am Schwanz des Männchens. Sie werden vom Weibchen auf diesen speziellen Brutplatz abgelaicht, wo sie von da an vom Männchen am Körper getragen und so vor Fressfeinden beschützt werden. Bei Fischen generell sind öfter Männchen als Weibchen mit der Brutpflege der Eier beschäftigt, diese spezielle Form der männlichen Schwangerschaft ist allerdings nur bei Seepferchen-Verwandten zu finden.

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Wie Mann schwanger wird

Wo verstecken die Gene das Geschlecht?

In diesem Zusammenhang suchten die Wissenschaftler nach den Mechanismen der Geschlechtsbestimmung bei Seedrachen, die bislang noch nicht bekannt waren. Allgemein ist der Ort der Geschlechtsbestimmung bei Fischen schwer zu bestimmen, da sie meist keine speziellen Geschlechtschromosomen wie das X- und Y-Chromosom der Säugetiere besitzen. Die molekularen Grundlagen der Geschlechtsbestimmung liegen, so das Ergebnis, beim so genannten Mullerian-Hormon, das bereits bei den Seepferdchen als entscheidend für die Geschlechtsbestimmung nachgewiesen wurde.

Die Sequenzierung des Seedrachen-Genoms erfolgt als weiteres Projekt der längerfristigen Zusammenarbeit der Teams aus Guangzhou und Konstanz. Die erste Publikation – zum Seepferdchen-Genom – veröffentlichten die beiden Teams bereits 2016, eine weitere dieses Jahr. „Wir versuchen in unserer Forschung aus dem Genom den Phänotyp abzuleiten, gewissermaßen die ‚Essenz‘ von Tieren“, sagt Evolutionsbiologe Meyer. „Wir versuchen somit zu verstehen, wie ein Tier aussieht, basierend auf der Genomsequenz und dem Verständnis der Funktion von Genen. Der Seedrache ist ein Fisch, der gar nicht wie ein typischer Fisch aussieht. Es ist eine besonders faszinierende und wunderschöne Art.“

Originalpublikation: Meng Qu, Yali Liu, Yanhong Zhang, Shiming Wan, Vydianathan Ravi, Geng Qin1, Han Jiang, Xin Wang, Huixian Zhang, Bo Zhang, Zexia Gao, Ann Huysseune, Zhixin Zhang, Hao Zhang, Zelin Chen, Haiyan Yu, Yongli Wu, Lu Tang, Chunyan Li, Jia Zhong, Liming Ma, Fengling Wang, Hongkun Zheng, Jianping Yin, Paul Eckhard Witten, Axel Meyer, Byrappa Venkatesh, Qiang Lin: Seadragon genome analysis provides insights into its phenotype and sex-determination locusSeadragon genome analysis provides insights into its phenotype and sex-determination locus, Science Advances 18 Aug 2021, Vol. 7, no. 34; DOI: 10.1126/sciadv.abg5196

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