Evolutionsbiologie

Der Duft der Backhefe

Von Diemut Klärner
22.04.2009
, 13:01
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Saccharomyces cerevisiae, auch Bier- und Backhefe genannt
Versuche mit Pilzen und Bakterien entschleiern dank des raschen Generationenwechsels elementare Geheimnisse der Evolution. Das gilt nunmehr sogar für sexuelle Selektion auf genetischer Ebene.
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Klein, aber fein - Mikroorganismen lassen sich in stattlichen Populationen platzsparend unterbringen und können in kurzer Zeit zahlreiche Generationen produzieren. Das prädestiniert sie als musterhafte Forschungsobjekte, wenn es um die Mechanismen der Evolution geht, zumal bei so grundlegenden Phänomenen wie Ernährung und Fortpflanzung.

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Wissenschaftler um Kristina L. Hillesland von der Michigan State University in East Lansing und Gregory J. Velicer vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen studierten unlängst, wie die Häufigkeit von Beute die Evolution der Räuber beeinflusst. Als Beute diente das Darmbakterium Escherichia coli. Die Rolle des Räubers übernahm ein Bodenbewohner, das Myxobakterium Myxococcus xanthus. Im Gegensatz zu den meisten anderen Bakterien besitzt es keine starre Zellwand und bewegt sich kriechend vorwärts. Wenn es auf passende Mikroben trifft, geht es mit Enzymen und natürlichen Antibiotika zum Angriff über.

Wer besser sucht, findet (vielleicht) mehr

Die Forscher plazierten ihre Myxobakterien jeweils mitten in einer Schale, die sie mehr oder minder großzügig mit kleinen Kolonien des Darmbakteriums bestückt hatten. Zwei Wochen lang konnten sich die Myxobakterien ungestört ausbreiten und eine Bakterienkolonie nach der anderen vertilgen. Dann wurde eine repräsentative Stichprobe auf eine neue Platte mit neuer Beute umgesiedelt. Während sich diese Prozedur zwei Dutzend Mal wiederholte, vermehrten sich die räuberischen Bakterien emsig. Mindestens hundert Zellgenerationen wurden so einer Auslese unterworfen, die effiziente Beutezüge begünstigte ("Proceedings of the Royal Society", Teil B, Bd. 276, S. 459).

Kein Wunder, dass sich genetische Varianten durchsetzten, die neue Beute rascher aufspüren konnten. Wenn die nahrhaften Bakterienkolonien dünn gesät waren, entwickelten die Myxobakterien ein weitaus flotteres Tempo, als wenn ihnen stets ein reichgedeckter Tisch geboten wurde. Damit bestätigten sie die Erwartung, dass sich eine bessere Suchleistung desto mehr auszahlt, je mühsamer Beute zu finden ist.

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Dass die Myxobakterien am Ende des Experiments bis zu zehnmal so schnell ausschwärmten wie zu Anfang, hatte allerdings eine missliche Kehrseite. Die Tendenz, sich flugs zu zerstreuen, ging auf Kosten der Fähigkeit, robuste Sporen auszubilden, mit denen sich schlechte Zeiten unbeschadet überstehen lassen. Diese Überlebensstrategie erfordert nämlich ausgeprägten Gemeinsinn: Scharen von Myxobakterien müssen sich zusammentun und eine Art Fruchtkörper aufbauen, in dem dann die widerstandsfähigen Sporen heranreifen.

Sexuelle Selektion ohne Sex

Sporen auszubilden ist auch für Pilze typisch. Einzellige Hefepilze nutzen dabei die simpelste Version von sexueller Fortpflanzung: Zwei Zellen verschmelzen miteinander und legen ihr genetisches Inventar zusammen. Wenn derart vereinte Hefezellen ihr Erbgut duplizieren und neu kombinieren, können sie es auf vier Sporen verteilen, aus denen dann wieder paarungslustige Zellen schlüpfen. Um einen passenden Partner zu finden, orientieren sich die Hefezellen an den Lockstoffen ihrer Nachbarn. Dass dabei sexuelle Selektion im Spiel ist, entdeckten David W. Rogers vom Imperial College und Duncan Greig vom University College London.

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Strenge Auslese durch wählerische Partner ist ein Aspekt der Evolutionstheorie, der schon Charles Darwin besonders fasziniert hat. Mit entsprechenden Vorlieben von Pfauenweibchen lässt sich beispielsweise erklären, wie die männlichen Pfauen zu ihren prächtigen Schwanzfedern kamen.

Bei dem Hefepilz Saccharomyces cerevisiae - auch als Bier- und Backhefe bekannt - wurde sexuelle Selektion nun erstmals auf der Ebene einzelner Gene nachgewiesen. Die fraglichen Gene liefern die Baupläne für jene Lockstoffe, mit denen die Hefezellen potentielle Partner auf sich aufmerksam machen. Wie bei Pilzen allgemein üblich, gibt es weder Männchen noch Weibchen. Stattdessen paaren sich zwei Zellen, die äußerlich völlig gleich aussehen, aber unterschiedliche Lockstoffe freisetzen. Dabei werden die Hefezellen stets von der Substanz angelockt, die sie nicht selbst produzieren können. Die Sporen, die aus der Paarung hervorgehen, gehören jeweils wieder zur Hälfte zum einen und zum anderen Typ.

Lockstoffe im Evolutionsexperiment

Um die beiden Zelltypen in beliebigen Mengenverhältnissen kombinieren zu können, galt es zunächst, sie säuberlich voneinander zu trennen. Die Forscher ließen die Sporen deshalb auf Nährböden keimen, die entweder nur dem einen Typ zusagten oder nur dem anderen. In dem Experiment zur sexuellen Selektion diente der eine Zelltyp als Empfänger. Von dem anderen, der als Sender auftrat, wurden zwei genetische Varianten verwendet, die ihren Lockstoff in unterschiedlich großen Mengen verströmten und deshalb auf potentielle Partner unterschiedlich attraktiv wirkten.

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Wenn die Forscher verhältnismäßig wenige Empfängerzellen ins Rennen schickten, fanden zahlreiche Senderzellen keinen Partner. Wer mit seinem Lockstoff geizte, ging dabei mit größerer Wahrscheinlichkeit leer aus als freigebigere Konkurrenten. Von der sexuelle Selektion begünstigt, stieg deren Anteil in den meisten Populationen von ursprünglich einem Prozent auf mehr als neunzig Prozent ("Proceedings of the Royal Society", Teil B, Bd. 276, S. 543). Wenn die Empfängerzellen in der Mehrzahl waren, bot reichlich abgesonderter Lockstoff dagegen kaum Vorteile. Die Häufigkeit dieser genetischen Variante nahm folglich, wenn überhaupt, nur geringfügig zu.

Lockstoffe in großen Mengen zu produzieren ist in diesem Experiment offenbar mit keinerlei Nachteilen verbunden gewesen. Solche Hefezellen hatten ebenso gute Überlebenschancen und vermehrten sich genauso fleißig wie die sparsamere Variante. Mitunter haben sich attraktive Signale aber durchaus als Belastung erwiesen. Für Pfauenmännchen zum Beispiel ist ihr schmuckes Federkleid ein derartiges Handikap, dass neben der sexuellen Selektion auch andere Mechanismen der natürlichen Auslese ins Spiel kommen.

Quelle: F.A.Z.
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