Was ist der Unterschied zwischen schwarzen Marienkäfern mit roten Flecken und roten Marienkäfern mit schwarzen Flecken? Kinder – wie Erwachsene – haben sich diese Frage einmal gestellt. Wissenschaftler auch. Seit den 1920er Jahren gibt es eine wachsende Zahl von Arbeiten über die gemeinsame Präsenz von verschiedenen farbigen Mustern in Insekten innerhalb der gleichen Spezies. Führende Persönlichkeiten der Evolutionsbiologie wie der Genetiker Theodosius Dobzhansky oder der Ökologe Michael Majerus haben sich dafür interessiert.Einer der bekanntesten Fälle von Schwarzpigmentierungspolymorphismus wurde im 19.Jahrhundert bei einem Schmetterling, der Pfeffermotte, mit einem abgedunkelten ganzen Körper beschrieben. Es wurde industrieller Melanismus genannt, weil die Mutation, die das Insekt schwarz machte, mit der industriellen Revolution in England einherging. Ein rußfarbener Schmetterling hat bessere Überlebenschancen auf einer rußverschmutzten Birke.

Bei den meisten von Melanismus betroffenen Insektenarten tritt jedoch nur an bestimmten Teilen des Insektenkörpers eine Verdunkelung auf, die diskontinuierliche und komplexe schwarze Muster bildet. Dies ist bei dem Harlekin-Marienkäfer Harmonia axyridis der Fall, der auch als asiatischer Marienkäfer bekannt ist. Dieses Insekt ist ein Verfechter polymorpher melanischer Muster mit mehr als 200 Farbmusterformen, die in natürlichen Populationen auf der ganzen Welt beschrieben werden. Diese Formen entsprechen im Wesentlichen Variationen in schwarzen Bereichen auf rotem Grund auf dem Elytra, den gehärteten Vorderflügeln, die die Hinterflügel bedecken.

Das identifizierte färbende Gen

Die genetischen Mechanismen, durch die diese melanischen Muster in Marienkäferpopulationen erzeugt und aufrechterhalten werden, sind weitgehend unbekannt. Seit den 1950er Jahren ist bekannt, dass die unterschiedlichen Farbformen aus genetischen Variationen resultieren, die sich in einer einzigen Region des Genoms befinden, die zuvor nicht charakterisiert worden war. Unsere Forschungsteams bündeln ihre Kräfte und bündeln ihre Expertise in Populationsgenomik und Entwicklungsbiologie, um dieses Problem anzugehen. Und unsere Bemühungen haben sich gelohnt: Wir haben den genomischen Ursprung der verschiedenen Färbungsmuster bei Harlekin-Marienkäfern identifiziert. Insbesondere haben wir das Gen identifiziert, das alle Anweisungen codiert, die zum Zeichnen der verschiedenen Motive erforderlich sind, die die Vorderflügel der Harlekin-Marienkäfer schmücken. Diese Ergebnisse wurden im August 2018 in der Zeitschrift Current Biology veröffentlicht.

Zunächst sequenzierten wir das komplette Genom des Harlekin-Marienkäfers. Um dann die Region des Genoms zu identifizieren, die mit der Farbvariation verbunden ist, verglichen wir die Genomsequenzen vieler Harlekin-Marienkäfer verschiedener Farbformen, die aus mehreren natürlichen Populationen auf der ganzen Welt stammen. Diese Analyse wies auf eine bestimmte Region des Genoms hin, die zwei benachbarte Gene enthielt. Die sukzessive Inaktivierung jedes dieser beiden Kandidatengene identifizierte den Gen-Pannier als denjenigen, der für die Bildung von schwarzen Mustern auf dem Elytra verantwortlich ist.

Das Gen Pannier wurde erstmals in den 1980er Jahren in der Fruchtfliege entdeckt. Im Allgemeinen beziehen sich die Namen der Gene, oft mit einem Hauch von Humor, auf die körperlichen Missbildungen, die sichtbar werden, wenn dieses Gen mutiert ist. Für die Gentasche ist es die Form des mutierten Embryos ähnlich einer Tasche, die den Genetikern, die sie entdeckten, ihren Namen gab. Überraschenderweise schien das Gen Pannier bei keinem anderen Insekt mit der Produktion von Farbmustern in Verbindung zu stehen. Anschließend haben wir durch Aufdeckung der Position des von diesem Gen produzierten Proteins gezeigt, dass Pannier während der Elytra-Bildung aktiviert (oder exprimiert) wird.

Genauer gesagt ist das Gen Pannier in verschiedenen Populationen von Elytra-Zellen aktiv, die genau vorhersagen, wo die schwarze Pigmentierung bei Erwachsenen auftreten wird. Pannier aktiviert dann andere Gene, die gemeinsam die Produktion von schwarzem Pigment durch diese Zellen und damit die Bildung der schwarzen Flecken (bei „roten“ Marienkäfern) oder des schwarzen Hintergrunds (bei „schwarzen“ Marienkäfern) sicherstellen. Die Expression der Gentasche wird selbst durch regulatorische DNA-Sequenzen gesteuert, die sich um das Gen befinden. Es sind diese Sequenzen, die in ihrer molekularen Zusammensetzung sehr unterschiedlich sind, die Varianten des Gens Pannier definieren, die mit den verschiedenen Farbformen assoziiert sind. Die Häufigkeit dieser Varianten schwankt zwischen den Populationen und erzeugt sehr farbenfrohe Kompositionen innerhalb der natürlichen Populationen des Harlekin-Marienkäfers auf der ganzen Welt.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die unterschiedlichen Farbmuster im Harlekin-Marienkäfer ihren genetischen Ursprung in Variationen der räumlichen Aktivierung eines einzelnen Gens finden, das die Etablierung verschiedener Melanisationsmuster von Elytra orchestriert. Im Allgemeinen veranschaulichen diese Ergebnisse, wie Variationen in einem einzelnen Gen (Genotypen) in einigen Fällen eine beeindruckende Vielfalt von Phänotypen erzeugen können.

Jenseits der Farben

Es wurde lange vermutet, dass die Färbung eines Marienkäfers und damit Variationen im Gen Pannier andere Merkmale beeinflussen, die am Überleben und der Fortpflanzung dieses Insekts beteiligt sind. So könnte die Verteilung der verschiedenen Färbungsformen innerhalb von Populationen eine adaptive Reaktion auf lokale Einschränkungen (z. B. klimatische Einschränkungen) widerspiegeln. In diesem Zusammenhang kann eine interessante Bemerkung gemacht werden, die die Farbe mit dem invasiven Charakter des Harlekin-Marienkäfers in Verbindung bringt, der aus seiner Heimat in Asien kürzlich die vier Kontinente (Nordamerika, Südamerika, Europa und Afrika) besiedelt hat.

Überraschenderweise ist die Vielfalt der Farbformen von H. axyridis auf allen Kontinenten beschränkt. In den meisten kolonisierten Gebieten (außer in Europa) ist nur die nichtmelanische Form (rotes Elytra mit etwa 20 schwarzen Flecken) vorhanden. Bisher konnte nicht festgestellt werden, ob die Quasi-Fixierung einer einzelnen Farbform im befallenen Gebiet auf historische oder demografische Kontingente (einfache Zufallseffekte) oder auf einen natürlichen Selektionsprozess zurückzuführen ist, der die nichtmelanische Form während der Invasion begünstigt. Unsere Erkenntnisse über die Regionen des Genoms, die für Farbvariationen verantwortlich sind, können uns erlauben, zwischen diesen beiden Hypothesen zu entscheiden.