Die molekularen Mechanismen von lokaler Anpassung an hochgelegene Habitate in der Honigbiene Apis mellifera

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Martin Hasselmann; Professorin Dr. Ricarda Scheiner-Pietsch
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Biologie des Verhaltens und der Sinne
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451907330

Das Verständnis der evolutiven Prozesse und der molekularen Basis, die die phänotypische Differenzierung von Populationen vorantreiben, ist eines der großen aktuellen Themen in der biologischen Forschung. Chromosomale Umgestaltungen, wie z. B. Inversionen, können mit spektakulären Phänotypen verbunden sein, die die Grundlage von wichtigen Adaptationen bilden. Funktionelle Daten, die diese Hypothese bestätigen gibt es jedoch kaum. Im Osten Afrikas leben Populationen von Honigbienen (Apis mellifera) in montanen Wäldern (Hochland, A.m. monticola), die sich in ihrem Verhalten (z.B. Fouragierökologie und Aggression) und ihrer Morphologie deutlich von Populationen der umgebenden tieferliegenden Savannen unterscheiden (Ebene, A. m. scutellata). Chromosomale Inversionen auf zwei Chromosomen, die kürzlich identifiziert wurden, zeigen eine hohe Frequenz an verschiedenen Haplotypen in ansonsten kaum unterschiedlichen Chromosomen zwischen den Populationen im Hochland und in der Ebene.In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir aus Honigbienen, die entlang von Höhengradienten an sechs afrikanischen Bergen vorkommen, genomweit Nukleotidpolymorphismen identifizieren. Diese Daten werden die Verteilung der ancestralen Inversionen und die Dynamik von Mutationen innerhalb lokaler Populationen unter dem Einfluss von Hybridisierung und der Umwelt messen. Transkriptomanalysen werden regulatorische Module innerhalb und außerhalb der genetisch differenzierten, invertierten Chromosomenbereiche identifizieren, die mit dem Hochland und adaptiven Polymorphismen assoziiert sind. Wir werden mit der CRISPR/Cas9 Methode die Funktion von ausgewählten Kandidatengenen bei der Anpassung an Höhen verstehen. Eine Gruppe der Kandidatengene (Oktopamin ß Rezeptoren), sind bei der Verhaltenssteuerung involviert (vermutlich beteiligt an Thermotoleranz und Aggression), die innerhalb der invertierten Regionen liegen. Durch Translokationsexperimente werden wir funktionelle Zusammenhänge zwischen Genotypkomposition, Genexpression und Höhenanpassung testen. Um die Rolle des Oktopaminsignalwegs bei der temperaturabhängigen Sammelaktivität aufzuklären, wollen wir Honigbienen individuell mittels radio frequency identification (RFID) verfolgen und Zusammenhänge zwischen Sammelaktivität, Temperatur und Oktopaminrezeptorgenexpression aufklären.Wir werden untersuchen, ob die Manipulation des oktopaminergen Systems das temperaturabhängige Sammelverhalten entlang von Höhengradienten beeinflusst. Der Knockout von Genen und Verhaltensexperimente werden helfen, Funktionen individueller Kandidatengene bei der Steuerung von Thermotoleranz und Aggression zu differenzieren.Durch die Anwendung von äußerst komplementären Ansätzen werden wir auf diese Weise vertiefende Einblicke in die genetische Architektur der Höhenanpassung bei Honigbienen erhalten. Unsere Experimente werden außerdem zum Verständnis funktioneller Auswirkungen von Inversionen und co-adaptiven Allelen auf die individuelle Fitness beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen