Die Evolutionsgeschichte der Wespen, Bienen und Ameisen erstmals entschlüsselt
Neuer Stammbaum der Hautflügler trägt zum Verständnis der Artenvielfalt auf unserem Planeten bei
Mit über 150.000 bekannten Arten stellen Wespen, Bienen und Ameisen, die sogenannten Hautflügler (Hymenoptera), eine der artenreichsten und bekanntesten Insektengruppen dar. Viele Hautflügler haben eine große wirtschaftliche Bedeutung als Bestäuber von Nutzpflanzen oder als Gegenspieler von Schadinsekten.
Nun ist es einem internationalen Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Leitung von Forschern aus Bonn, Freiburg und Stuttgart gelungen, in einer Studie die Entstehungsgeschichte der Hautflügler zu klären und die wichtigsten Evolutionsschritte in der Gruppe zeitlich präzise einzuordnen. Die Arbeit der Biologen wurde in der renommierten Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht und entstand im Rahmen der internationalen Forschungsinitiative 1KITE (1K Insect Transcriptome Evolution; http://www.1kite.org).
Die Ergebnisse der Wissenschaftler liefern grundlegend wichtige Erkenntnisse zur Entwicklung der Artenvielfalt und zur Entstehung von ökologischen Wechselbeziehungen zwischen Hautflüglern und anderen Tieren sowie Pflanzen.
Der aufwändig rekonstruierte neue Stammbaum der Hautflügler erlaubte insbesondere den Ursprung der parasitoiden Lebensweise – eine Form von Parasitismus, bei der sich die Larven der Hautflügler von einem Wirtstier ernähren, das dadurch stirbt – zu klären. Parasitoide Hautflügler tragen in erheblichem Maße zum Erhalt des ökologischen Gleichgewichts auf der Erde bei.
Die geschieht z. B. durch die Regulation der Bestände pflanzenfressender Insektengruppen, die sich ohne gegensteuernde parasitoide Wespen unter Umständen explosionsartig vermehren würden. Die Ergebnisse der Forscher legen nahe, dass sich das Heer der heute existierenden parasitoiden Hymenopteren von einem Vorfahren ableitet, der vermutlich bereits vor 247 Millionen Jahren als Holzschädling die Erde bewohnt hat. Wichtig ist hierbei für die Forscher der Übergang von Pflanzen- oder Holzfressern zu parasitoiden Wespen, die sich von anderen Insekten ernähren.
„Ohne Hautflügler sähe unsere Welt völlig anders aus“, erklärt Ralph S. Peters, Leiter der Sektion Hautflügler am Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere in Bonn. „Auch der Mensch hätte, wenn – hypothetisch gesprochen – die Hautflügler von der Erde verschwänden, sehr große Schwierigkeiten bei der Nahrungssicherung und wahrscheinlich auch beim Überleben.“
Das neue Wissen um den Ablauf der Evolutionsgeschichte der Bienen, Wespen und Ameisen leistet einen wesentlichen Beitrag zur biologischen Grundlagenforschung und beantwortet, warum einige Hautflüglergruppen evolutionäre Erfolgsmodelle wurden und andere nicht.
„Wir wollen ganz generell verstehen, wie die Evolution dieser artenreichen Gruppen abgelaufen ist und benötigen zudem die Ergebnisse, um den direkten Nutzen der Hautflügler für die Menschen richtig einordnen, würdigen und eventuell optimieren zu können“, erläutert Oliver Niehuis, Professor für Ökologie, Evolutionsbiologie und Biodiversität an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
Die Gruppe der parasitoiden Wespen dominiert in ihrer Artenanzahl die Hautflügler, doch hat eine andere Gruppe den größten Bekanntheitsgrad erlangt: die einen Stachel tragenden Stechimmen. Dazu gehören u. a. die sozialen Faltenwespen, die Bienen und Ameisen. Die Arbeit der Forscher wirft auch Licht auf die Entstehungsgeschichte dieser Gruppe, deren unmittelbare Vorfahren nach den nun vorliegenden Daten vermutlich bereits vor über 190 Millionen Jahren wussten, sich mit Stichen zu wehren.
„Die Entstehung der großen Vielfalt an Formen, Farben, Lebensweisen und genetischen Variationen, die die Hautflügler hervorgebracht haben, ist etwas, das wir seit Jahrhunderten versuchen zu verstehen“, sagt Lars Krogmann, Experte für Hautflügler am Naturkundemuseum Stuttgart. „Mit dieser Arbeit, in der wir die neuesten Techniken und Methoden im Labor und aufwändige Analysen nutzen, sind wir jetzt bei dieser Insektengruppe ein großes Stück vorangekommen.“
Um zu den veröffentlichten Ergebnissen zu gelangen, haben die Wissenschaftler die Information von über 3.000 Genen in mehr als 150 unterschiedlichen Arten von Hautflüglern verglichen und ausgewertet. Zudem wurden Fossilbelege in die Analysen einbezogen, die eine Datierung der Stammbäume erlauben. Damit konnten auch Aussagen über das Alter der verschiedenen Hautflüglergruppen gemacht werden. Für alles, was die Forscher bisher noch nicht wissen, stellt die Arbeit ebenfalls einen wichtigen Rahmen dar, beispielsweise um zukünftige Erkenntnisse aus der vergleichenden Erbgutforschung (Genomik und Genetik) richtig zu interpretieren.
Zusammenfassung der Autoren der Studie
Hymenopteren (Sägewespen, Wespen, Ameisen und Bienen) sind eine von vier mega-diversen Insektenordnungen, die mehr als 153.000 beschriebene und möglicherweise bis zu einer Million noch unbeschriebene Arten umfassen. Als Parasitoide, Räuber und Bestäuber spielen Hymenopteren eine fundamentale Rolle in praktisch allen terrestrischen Ökosystemen und sind von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Um die Diversifikation und die wichtigsten evolutionären Übergänge von Hymenopteren zu verstehen, insbesondere von Phytophagoie zu Parasitoiden und Prädation (und umgekehrt) und von solitärem zu eusozialem Leben, haben wir die Phylogenie und Divergenzzeiten aller Hauptlinien von Hymenopteren durch Analyse von 3.256 Protein-Kodierung abgeleitet Gene in 173 Insektenarten. Unsere Analysen deuten darauf hin, dass die Hymenopteren bereits vor 281 Millionen Jahren (Mya) diversifiziert wurden. Die primär ektophytophagen Sägewellen sind monophyletisch. Die artenreichen Linien der parasitoiden Wespen bilden auch eine monophyletische Gruppe. Die wenig bekannten, artenarmen Trigonaloidea werden als Schwestergruppe der Stechwespen (Aculeata) identifiziert. Schließlich fanden wir die evolutionäre Wurzel der Bienen in der Familie der Schimpansenwespen “Cabronidae”. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die vorhandene Sägewellendiversität weitgehend das Ergebnis einer zuvor nicht erkannten Hauptbestrahlung von Phytophagen-Hymenopteren ist, die nicht zum Holz- und Parasitoidismus führte. Sie bestätigen auch, dass alle primär parasitoiden Wespen Abkömmlinge eines einzelnen endophytischen Parasitoiden-Vorfahren sind, der um 247 Mya herum lebte. Unsere Ergebnisse liefern die Grundlage für eine natürliche Klassifizierung von Hymenopteren und ermöglichen zukünftige vergleichende Analysen von Hymenopteren, einschließlich ihrer Genome, Morphologie, Gifte und parasitoiden und eusozialen Lebensstile.
(A) Vertreter von Sägewespen, Wespen, Ameisen und Bienen. Maßstabsbalken repräsentieren 5 mm.
(B) Phylogenetische Beziehungen und Divergenzzeitschätzungen von Hymenopteren. Die wichtigsten evolutionären Ereignisse sind bei den jeweiligen Gruppen angegeben (beachten Sie, dass nur die wichtigsten eusozialen Linien berücksichtigt werden). Der Baum wurde unter dem Maximum-Likelihood-Optimalitätskriterium abgeleitet, wobei 1.505.514 Aminosäurestellen analysiert wurden und eine Kombination von Proteindomänen- und Gen-spezifischen Substitutionsmodellen angewendet wurde. Die Divergenzzeiten wurden mit einem unabhängigen molekularen Clock-Ansatz und 14 validierten Fossilien geschätzt. Dreieckszweige umfassen mehrere Arten (Anzahl der Arten in Klammern), deren Beziehungen in Abbildung S1 im Detail dargestellt sind. Knoten mit eingekreisten Zahlen werden im Haupttext (pdf) erwähnt.
Quellen:
Peters RS, Krogmann L, Mayer C, Donath A, Gunkel S, Meusemann K, Kozlov A, Podsiadlowski L, Petersen M, Lanfear R, Diez PA, Heraty J, Kjer KM, Klopfstein S, Meier R, Polidori C, Schmitt T, Liu S, Zhou X, Wappler T, Rust J, Misof B, Niehuis O. 2017. Evolutionary history of the Hymenoptera.
Current Biology 27, 1–6
Gemeinsame Pressemitteilung
Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig
Naturkundemuseum Stuttgart
Universität Freiburg
7.11.2014 / 23.3.2017 / 3.4.2017