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Zebramuscheln stammen eigentlich aus Nordasien © Sonia Rodriguez Monje
Zebramuscheln stammen eigentlich aus Nordasien © Sonia Rodriguez Monje

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Ein Organismus aus der Urzeit

06.07.2017

Wie entsteht aus einem Zellhaufen ein lebender Organismus? Der Evolutionsbiologe Andreas Wanninger von der Universität Wien geht dieser essenziellen Frage nach, indem er das Genom eines der ursprünglichsten Organismen unter die Lupe nimmt - der Zebramuschel.

Andreas Wanninger erforscht die Entwicklung von Tieren und deren Organsystemen. Im Mittelpunkt stehen dabei vor allem die Muskel- und Nervensysteme von Wirbellosen. In einem aktuellen FWF-Projekt befasst er sich mit einer Spezies der Weichtiere, die auch in Wien - genauer gesagt in der Donau - zu finden ist: der Zebramuschel, auch Wandermuschel genannt.

Ursprünglich, aber kaum erforscht

"Die Zebramuschel ist in vielerlei Hinsicht interessant: Zum einen ist sie bislang auf molekularer Ebene kaum erforscht, da es äußerst schwierig ist, Muscheln in einem geschlossenen System zu ständiger Reproduktion zu bewegen. Zum anderen ist bei der Zebramuschel der ursprüngliche Lebenszyklus erhalten geblieben", erklärt der Leiter des Departments für Integrative Zoologie. Anders als viele abgewandelte, aber verwandte Lebensformen wie gewisse Schneckenarten führt diese Spezies eine indirekte Entwicklung durch: Aus dem Ei schlüpft eine freischwimmende Larve, die sich am Grund absetzt und zur Muschel umwandelt.

"Was ist vorne, was ist hinten?"

In nahezu allen Organismengruppen sind die Genfamilien der Hox- und Parahoxgene für die Entwicklung der Längsachse des Körpers verantwortlich. "Allerdings tanzen andere Weichtierspezies wie Schnecken und Tintenfische in dieser Hinsicht aus der Reihe. Bei ihnen liefern diese Gene beispielsweise Informationen über Organsysteme wie etwa Fangarme", erklärt Wanninger.

Herauszufinden, ob das auch auf die Zebramuscheln zutrifft - und für welche Eigenschaften hier die Hox- und Parahoxene möglicherweise noch zuständig sind - ist ein Ziel des im Jänner 2017 angelaufenen Forschungsprojekts.

Um die Mechanismen der Evolution zu entschlüsseln, müssen WissenschafterInnen oftmals lebende Embryonen untersuchen. Die meisten Organismen pflanzen sich nur wenige Wochen im Jahr fort. Der Evolutionsbiologe Andreas Wanninger entwickelt daher Methoden zur künstlichen Verlängerung dieser Fortpflanzungsphase - ein sogenanntes Reproduktionsmodell. Damit ist das lebende Forschungsmaterial im Idealfall ganzjährig verfügbar. (Foto: Andreas Wanninger)

Arbeit mit lebenden Embryonen

Wanningers Team möchte also den Funktionen der Gene auf die Schliche kommen. Dazu müssen die BiologInnen zunächst die Morphogenese (Anm.: Entstehung der Form) der Zebramuschel untersuchen sowie ihr Genom entschlüsseln. Dafür etablieren sie erstmals die Weichtierspezies Zebramuschel als Modellorganismus im Labor.

"Zur Erforschung des Genoms benötigen wir Zebramuscheln im Embryostadium. Hier liegt eine der Herausforderungen unserer Arbeit: Zebramuscheln pflanzen sich in ihrer natürlichen Umgebung nur über wenige Wochen im Jahr fort", so der Projektleiter. Um die Zebramuscheln im Labor dazu zu bringen, sich häufiger und konstanter fortzupflanzen, entwickelte Wanninger gemeinsam mit seinem Team ein neuartiges Reproduktionsmodell: "Das ermöglicht uns, rund sechs Monate im Jahr an lebenden, embryonalen Zebramuscheln zu forschen."

Das Ablaichen der Zebramuschel-Männchen und -Weibchen wird künstlich eingeleitet. Die anschließende kontrollierte Befruchtung der Eier erlaubt ein genaues Datieren der sich entwickelnden Embryonen und Larven und damit das wiederholte "Abfixieren" relevanter Entwicklungsstadien. So kann Wanninger alle Entwicklungsstadien untersuchen, vom befruchteten Ei über die verschiedenen Larvalstadien bis hin zur bodenlebenden Jungmuschel. (Foto: Andreas Wanninger)

Eine Invasion mit weitreichenden Folgen

Nach Wien kam die Zebramuschel, deren ursprünglicher Lebensraum die großen Flüsse Russlands waren, aber erst mit der modernen Schifffahrt: Auf diese Weise gelangte sie außerdem in fast alle Gewässer des europäischen und nordamerikanischen Kontinents. "Durch ihren massiven Reproduktionsoutput und indirekten Lebenszyklus über freischwimmende Larven kann sich die Art besonders gut ausbreiten und rasch riesige Populationen aufbauen", erklärt der Experte.

In den 1990er Jahren kam es in den Großen Seen Nordamerikas zu massiven Einbrüchen in der einheimischen Fischfauna. "Die Zebramuschel filtriert extrem erfolgreich und entzieht dadurch dem Wasser in kurzer Zeit die meisten Nährstoffe", erläutert Wanninger den Grund für das Fischsterben.

Grundlagenforschung mit Chance auf mehr

Ausgewachsene Zebramuscheln besitzen außerdem die Fähigkeit, sich mithilfe von Proteinfäden an verschiedensten Oberflächen festzusetzen. Diese sogenannten Byssusfäden sind aufgrund ihrer einzigartigen Beschaffenheit extrem reißfest, weshalb sie als Biomaterial prinzipiell von beachtlichem ökonomischen Nutzen sein könnten. In ihrer natürlichen Form stellen sie jedoch ein massives Problem dar: Die Zebramuschel haftet sich mit ihren Fäden an Wasserleitungen und verstopft diese, was - u.a. bei Kühlwasseranlagen von Atomkraftwerken - gravierende Folgen haben kann.

"Obwohl sich unsere Forschungsarbeit in erster Linie auf evolutionsbiologische Fragen konzentriert, leisten wir mit der Entschlüsselung des Genoms der Zebramuschel und den begleitenden Untersuchungen auch einen Beitrag zur Lösung solch ökonomischer und ökologischer Problemstellungen", so Wanninger. (hma)

Das Forschungsprojekt ist Teil einer Reihe parallel laufender Projekte zur Erforschung der Zebramuschel, für die Wanninger eine eigene Arbeitsgruppe gründete: "Unter anderem beschäftigen sich unsere DoktorandInnen Sonia Rodriguez Monje und André Luiz de Oliveira sowie Postdoc Andrew Calcino mit einer weiteren wichtigen Gruppe von Entwicklungsgenen, den WNT-Genen, sowie mit der Decodierung und Einordnung des Genmaterials innerhalb der gesamten Weichtiere", so der Evolutionsbiologe.

Das FWF-Projekt "Morphogenese, Hox und ParaHox Genexpression in der Zebramuschel" unter Leitung von Univ.-Prof. Dr. Andreas Wanninger, Leiter des Departments für Integrative Zoologie der Fakultät für Lebenswissenschaften, läuft von Januar 2017 bis Dezember 2020.

Quelle: uni:view (Heinrich Matis)

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