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Evolutionsgeschichte der Käfer

Wie Käfer durch Kapern von DNA zum Erfolgsmodell wurden

| Autor/ Redakteur: Sabine Heine* / Christian Lüttmann

Käfer haben als größte Ordnung den Thron der Insekten inne. Doch dieser ist mit einem Diebstahl erkauft. Denn „gekaperte“ Fremd-DNA in pflanzenfressenden Käfern hat einen maßgeblichen Anteil am Erfolg der Spezies. Dies zeigen neuste Ergebnisse eines Internationalen Forscherteams mit Beteiligung des Forschungsmuseums Alexander Koenig.

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Käfer haben im Laufe der Evolution zahlreiche Arten entwickelt.
Käfer haben im Laufe der Evolution zahlreiche Arten entwickelt.
(Bild: gemeinfrei, 12019 / Pixabay)

Bonn – Maikäfer, Hirschkäfer, Marienkäfer, die Liste lässt sich mit über 350.000 Arten noch lange fortsetzen. Käfer bilden damit die Größte Ordnung in der Klasse der Insekten. Wissenschaftler aus Deutschland, Australien, China und den USA haben nun die Verwandtschaftsverhältnisse und die Evolution von Käfern anhand des größten bisher bearbeiteten Datensatzes untersucht: An 4818 Genen aus 146 Arten erforschten die Biologen Abstammungsverhältnisse von Käfern. Zudem analysierten sie 89 Gene von 521 Arten, die alle wesentlichen Entwicklungslinien der Käfer repräsentieren, in Hinblick auf die Geschwindigkeit der Evolution und die Entstehung neuer Arten.

Pflanzenfresser haben schwer zu verdauen

Viele Arten ernähren sich von Pflanzenfasern. Diese sind jedoch schwer verdaulich, sodass Käfer auf die Hilfe von Pilzen und Bakterien angewiesen sind, die Pflanzenzellwand-abbauende Enzyme beisteuern. Im Laufe der Evolutionsgeschichte hat sich aus dieser Symbiose allerdings eine neue Stufe entwickelt, wie die Forscher nun belegten: Viele pflanzenfressende Käferarten haben Gene für die Verdauungsenzyme von ihren Symbionten irgendwann in ihr eigenes Genom integriert. Die Fremd-DNA haben Käfer über einen „horizontalen Gentransfer“ gekapert, was ihnen heute eine von Symbionten unabhängige Verdauung von Holz und Blättern ermöglicht.

Ein entscheidender Faktor für erfolgreiche Evolution

Diese Übernahme von Fremd-DNA geschah sogar zweimal voneinander unabhängig, wie die Forscher feststellten. Insgesamt stellen die pflanzenfressenden Käfer mehr als die Hälfte aller existierenden Käfer dar. Deswegen sind die an der aktuellen Studie beteiligten Biologen überzeugt, dass die zwei Ereignisse der Integration von DNA aus anderen Organismen zu den wichtigsten Faktoren gehören, welche die erfolgreiche Evolution der Käfer ermöglicht haben.

„Pflanzenzellwand-abbauende Enzyme waren die Schlüsselinnovation im Mesozoikum vor etwa 252 bis 66 Millionen Jahren“ sagt Dr. Dirk Ahrens vom Forschungsmuseum Alexander Koenig. „Dies ermöglichte eine effiziente Verdauung verschiedener Pflanzengewebe, wodurch sich grundverschiedene Ernährungsweisen, wie Blattminierung oder Holzbohren herausbilden konnten.“

Mehr Klarheit für die Evoutionsgeschichte

Die Analysen des Teams klärten außerdem bisher kontrovers diskutierte Verwandtschaftsbeziehungen und datierten den Ursprung der Käfer in der Karbonzeit, über 300 Millionen Jahre in der Vergangenheit. Die außerordentliche Vielfalt der Käfer resultiere jedoch aus einem Mix mehrerer Faktoren. Zu diesen gehöre u.a. eine geringe Aussterberate der Entwicklungslinien über lange evolutive Zeiträume, die gemeinsame Diversifikation mit Blütenpflanzen sowie der Gentransfer von Mikroben-Genen und die darauffolgende explosionsartige Entstehung neuer Arten pflanzenfressender Käfer – eine so genannte adaptive Radiation.

Die Ergebnisse der Arbeit zeigen einmal mehr die komplexen evolutiven Beziehungen von Insekten, Pflanzen und Mikroben, deren Erforschung gerade angesichts aktueller Herausforderungen wie dem Rückgang der Artenvielfalt von gesellschaftlicher Bedeutung erscheinen.

Originalpublikation: Duane D. McKenna, Seunggwan Shin, Dirk Ahrens, Michael Balke, Cristian Bezaa, Dave J. Clarke, Alexander Donath, Hermes E. Escalona, Frank Friedrich, Harald Letsch, Shanlin Liu, David Maddison, Christoph Mayer, Bernhard Misof, Peyton J. Murin, Oliver Niehuis, Ralph S. Peters, Lars Podsiadlowski, Hans Pohl, Erin D. Scully, Evgeny V. Yan, Xin Zhou, Adam Slipinski and Rolf G. Beutel: The evolution and genomic basis of beetle diversity, PNAS first published November 18, 2019; DOI: 10.1073/pnas.1909655116

* S. Heine, Zoologisches Forschungsmuseum ZFMK, Alexander Koenig Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere, 53113 Bonn

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