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Bienenforschung

Forscher analysieren Genome von Hummel-Arten

| Redakteur: Marc Platthaus

Genomanalysen können zu wichtigen Maßnahmen für die Erhaltung von Bienenarten führen.
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Genomanalysen können zu wichtigen Maßnahmen für die Erhaltung von Bienenarten führen. (Bild: Ben M. Saad)

Bienen spielen eine Schlüsselrolle in unserem Ökosystem und der weltweiten Lebensmittelversorgung. Dank einer großangelegten gemeinsamen Initiative wurden nun die Genome zweier wichtiger bestäubender Hummelarten sequenziert und mit den Genomen anderer Bienen verglichen, um einen Grundstein zur Identifizierung wichtiger Faktoren zur Erhaltung dieser Arten zu legen.

Genf/Schweiz – Zwei wissenschaftliche Publikationen präsentieren die ersten zwei kompletten Genomsequenzen zweier Hummelarten: das der europäischen dunklen Erdhummel, Bombus terrestris, und das der nordamerikanischen gemeinen östlichen Hummel, Bombus impatiens. Die Forschung konzentrierte sich auf das Aufspüren von Ähnlichkeiten und Unterschieden zwischen diesen transatlantischen Verwandten. Untersucht wurden Hummeln aus dem Thurgau, Schweiz, und aus Michigan, USA. Die Studien verglichen die Hummeln auch mit ihrer weiter verwandten Art, der Honigbiene, um das unterschiedliche Sozialleben in der Kolonie und die Art, wie sie Infektionskrankheiten bekämpfen, besser zu verstehen.

Beide Studien waren großangelegte, internationale Initiativen, darunter auch Forscher des SIB Schweizerischen Instituts für Bioinformatik, der medizinischen Fakultät der Universität Genf, und dem Institut für Integrative Biologie der ETH Zürich. Die Projekte wurden von Dr. Ben Sadd der Illinois State University, Dr. Seth Barribeau der ETH Zürich und der East Carolina University, Dr. Kim Worley vom Baylor College of Medicine, und von Prof. Paul Schmid-Hempel der ETH Zürich koordiniert.

Bienen: wichtige, aber gefährdete Glieder der Nahrungskette

Bienen spielen eine unschätzbare Rolle in der Erhaltung der Biodiversität und in der Bestäubung der Nutzpflanzen die unsere Weltbevölkerung ernähren. Der starke Rückgang einiger Spezies ist eine ernstzunehmende Bedrohung für unser Agroökosystem, und es ist deshalb unbedingt erforderlich, unser Verständnis ihrer Lebensweise zu verbessern und zu untersuchen, wie sie auf bedrohliche Umwelteinflüsse reagieren.

Obwohl sie einem das Gefühl vermitteln, oftmals langsam und tollpatschig von Blüte zu Blüte zu fliegen, sind Hummeln alles andere als faul. Weltweit über 250 Hummelarten übernehmen die arbeitsintensive Aufgabe, Blüten sowohl in freier Wildbahn als auch in der Landwirtschaft zu bestäuben. Eine große Zahl an Früchten und Gemüse wären nicht auf unseren Tellern würden die Hummeln nicht ihre Arbeit verrichten. „Hummeln sind faszinierende Geschöpfe zu studieren“, erklärt Dr. Sadd, „aber wachsende Bedrohungen ihrer Gesundheit gefährden weltweit ihre Bestände und machen ein besseres Verständnis ihrer Lebensweise zu einer noch wichtigeren Aufgabe.“

Schützende Immunität und Sozialleben

Die meisten Hummeln leben nicht als Einzelgänger, sondern in Kolonien von wenigen zehn bis zu hunderten von verwandten Einzeltieren, die jedes Jahr von einer einzigen Königin nach der Überwinterung gegründet werden. Sie besetzen damit mit ihrer Sozialstruktur eine Position zwischen den solitären Insekten wie der Hausfliege und den hochsozialen Honigbienen, die Kolonien bilden aus mehreren tausend Individuen und von Königinnen, die mehrere Jahre leben können. Ein solches Sozialleben erfordert ein Höchstmaß an Organisation und Zusammenarbeit, besonders da in dichtgedrängten Kolonien von genetisch sehr ähnlichen Individuen die Gefahr der Ausbreitung von Infektionskrankheiten äußerst groß ist.

„Der Katalog an Genen, die für die Immunreaktionen verantwortlich sind, ist in den verschiedenen Bienenarten unabhängig ihrer Sozialstruktur beinahe derselbe“, erklärt Dr. Robert Waterhouse von der Universität Genf und dem SIB Schweizerisches Institut für Bioinformatik, „aber er ist bedeutend kleiner als in solitären Insekten wie Fliegen und Mücken, die oftmals in Umgebungen mit einer höheren Dichte an Krankheitserregern leben.“ Trotzdem mögen Variationen in den evolutionären Mustern der Auslese von Immungenen in Hummeln und Honigbienen Aufschlüsse geben über den unterschiedlichen Druck, den die Krankheitserreger auf die einzelnen Arten ausüben.

Werden junge Schweizer Hummeln aus ausgewachsenen Kolonien verschiedenen Bakterien ausgesetzt, löst dies interessanterweise eine höhere Reaktion an Immungenen in weiblichen Individuen aus. „Dies deutet auf eine höhere Investition in schützende Immunität auf Seite der Weibchen hin, die eines Tages eine eigene Kolonie gründen werden, im Gegensatz zu Männchen, deren Aufgabe im Wesentlichen auf die Fortpflanzung beschränkt ist“, meint Dr. Barribeau.

Auswirkungen der Forschung

Die Genome der Hummeln aus der Schweiz und aus Nordamerika ermöglichte einen ersten Einblick in die Genetik, die hinter den unterschiedlichen Verhaltensmustern und Reaktionen auf Umwelteinflüsse steht. „Diese genomischen Ressourcen werden uns helfen, besser zu verstehen, warum gerade diese Hummeln ein erhöhtes Gesundheitsrisiko auf Umwelteinflüsse wie Krankheiten und Pestizide aufweisen“, erweitert Dr. Barribeau.

Die Sequenzierung der Hummel-Genome ist ein bedeutender Schritt vorwärts in der Erforschung der Biologie von Bienen und zum Verständnis der Organisation dieser Insektengemeinschaften. Die publizierten Ergebnisse fassen mehrere Jahre Arbeit zahlreicher Forscher zusammen, aber dies ist erst der Anfang eines neuen Abschnitts der Hummel-Forschung. Diese Genome ermöglichen erst zukünftige funktionelle Hochdurchsatzstudien, die unser Wissen um diese faszinierenden und überlebenswichtigen Insekten erweitern und somit zu ihrer Erhaltung beitragen werden.

Originalpublikationen: Sadd BM, Barribeau SM, Bloch G, de Graaf DC, Dearden P, Elsik CG, et al.: The genomes of two key bumblebee species with primitive eusocial organisation. Genome Biol 2015, 16:623.

Barribeau SM, Sadd BM, du Plessis L, Brown MJF, Buechel SD, Cappelle K, et al.: A depauperate immune repertoire precedes evolution of sociality in bees. Genome Biol 2015, 16:628.

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