Tribolium castaneum als neuer Modellorganismus zur Untersuchung individueller Variabilität und Evolution zirkadianer Rhythmen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Kurtz; Professor Dr. Ralf Stanewsky
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Biologie des Verhaltens und der Sinne
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551960251

Zirkadiane Uhren sind allgegenwärtig und maximieren die Fitness von Organismen, indem sie sie befähigt, sich mit den täglichen Veränderungen ihrer Umwelt zu synchronisieren und diese zu antizipieren, anstatt nur auf sie zu reagieren. Während die allgemeinen Mechanismen zirkadianer Uhren sehr konserviert sind, zeigt die Variation in deren molekularer Zusammensetzung zwischen den Arten eine bemerkenswerte evolutionäre Flexibilität, die Anpassungen an artspezifische ökologische Anforderungen ermöglicht. Dennoch ist individuelle Variation der zirkadianen Rhythmen innerhalb von Arten und deren Bedeutung für die Evolution der zirkadianen Uhren wenig erforscht. Wir schlagen daher vor, den Rotbraunen Reismehlkäfer (Tribolium castaneum) als neues Modell für die Untersuchung der Evolution der zirkadianen Uhr zu verwenden, wobei wir uns auf die Diversität innerhalb der Art als Grundlage für die evolutionäre Anpassung konzentrieren. Im Gegensatz zu den meisten Modellorganismen, die in chronobiologischen Studien verwendet werden, weist dieser Käfer eine erhebliche individuelle Variation der Rhythmik auf. Einige Individuen zeigen ein eindeutiges rhythmisches Verhalten, während andere arrhythmisch sind. Die vorgeschlagene Forschungsarbeit zielt darauf ab, diese natürliche Verhaltensvariation in Kombination mit den Vorzügen dieses Modells, wie z. B. leichte Zucht in großem Umfang und gut etablierte genetische und genomische Werkzeuge, zu nutzen, um wichtige Fragen zur Evolvierbarkeit von rhythmischem Verhalten zu beantworten. Unsere übergreifende Hypothese ist, dass die individuelle Variation im rhythmischen Verhalten von T. castaneum ein relevantes biologisches Phänomen mit genetischen Grundlagen ist, das einem Selektionsdruck unterliegt. Darüber hinaus zielt die Studie darauf ab, die Rolle sozialer Interaktionen bei der Synchronisierung zirkadianer Rhythmen innerhalb gruppenlebender Insekten zu klären, die möglicherweise individuelle Variationen maskieren und die zirkadiane Rhythmik insgesamt verbessern. Daher werden wir wertvolle Instrumente wie Clock-Gen-Mutationen sowie Käferlinien mit stabiler Expression eines clock-luziferase enhancer traps und eines clock-luziferase Fusionsgens entwickeln, um die molekularen Mechanismen der T.castaneum-Uhr zu analysieren. Darüber hinaus schlagen wir vor, Selektionslinien durchzuführen, um die Evolvierbarkeit der beobachteten Verhaltensvariationen nachzuweisen. Um den Ursprung dieser Verhaltensevolution zu untersuchen, werden wir die rhythmische Transkription mittels RNAseq von Selektionslinien analysieren. Schließlich werden wir den Einfluss sozialer Interaktion auf die molekularen und verhaltensbezogenen zirkadianen Rhythmen bestimmen. Mit Hilfe von Videoaufzeichnungen und Biolumineszenzmessungen der Luziferase-Käferlinien werden wir untersuchen, ob die bei einzelnen Käfern beobachtete Verhaltensvariabilität von den zirkadianen Uhren der Käfer widergespiegelt wird und durch soziale Interaktionen reduziert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen