Lokale Anpassung von Daphnia an Protease Inhibitoren in Cyanobakterien

• Antragsteller: Professor Eric von Elert, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262323731

Die anthropogene Eutrophierung von Seen hat zu einer Zunahme von Massenentwicklungen von Cyanobakterien geführt, mit denen eine Abnahme der Abundanz von Daphnien, dem wichtigsten Herbvioren des Phytoplanktons, einher geht. Diese Abnahme der Daphnien ist eine der Hauptursache dafür, dass Versuche, die Wasserqualität durch Nahrungsketten-steuerung zu verbessern, nur zu kurzfristigen Erfolgen geführt haben. Obwohl mehrfach gezeigt wurde, dass Daphnien, die mit Cyanobakterien co-existieren, eine erhöhte Toleranz gegenüber Cyanobakterien aufweisen, ist die genetische Basis dieser Toleranz nicht untersucht. Zu den häufigsten Inhibitoren cyanobakterieller Massenentwicklungen gehören Proteaseinhibitoren (PIs), von denen gezeigt wurde, dass sie spezifisch die Verdauungsproteasen in Daphnia hemmen. In früheren Arbeiten konnten wir zeigen, dass eine Population von Daphnia magna, die mit Cyanobakterien co-existiert, an die cyanobakteriellen PIs angepasst ist: Die Tiere selber und ihre Darmhomogenate erwiesen sich als toleranter gegenüber PIs als bei Tieren aus einer Population, die ohne Cyanobakterien existierte. Haplotyp-Analysen der Gene der Verdauungsproteasen in der adaptierten Population zeigten, dass diese Loci unter Selektion gestanden haben. Dies deutet darauf hin, dass solche Allele für Proteasen mit erhöhter Inhibitor-Toleranz kodieren. Dennoch ist experimentell zu zeigen, dass die vorherrschenden nicht-synonymen Mutationen in Genen von Verdauungsproteasen für Proteasen mit erhöhter Toleranz kodieren. Darüber hinaus könnte eine erhöhte Expression der Proteasegene zu der erhöhten Toleranz von PIs in der adaptierten Daphnienpopulation geführt haben. In Rahmen dieses Projekts soll untersucht werden, ob und in welchem Ausmaß Plastizität bei der Genexpression und Unterschiede in der Aminosäuresequenz von Verdauungsproteasen zur erhöhten Toleranz von PIs in der adaptierten Population beitragen. Dazu sollen Klone von D. magna aus adaptierten und nicht-adaptierten Populationen in Bezug auf Änderungen der Expression von Genen der Verdauungs¬pro¬te¬asen verglichen werden. Der Adaptivwert von Proteasen, die in der adaptierten Population unter Selektion gewesen sind, soll durch heterologe Expression ausgewählter Allele und anschließende enzymkinetische Untersuchung der resultierenden Proteasen in Hinblick auf Inhibitor-Toleranz geklärt werden. Diese Daten werden in die Optimierung eines Modells für die Vorhersage der 3D-Struktur der Verdauungsproteasen von Daphnien und ihrer Inhibitor-Toleranz einfließen. Dieses Modell zur 3D-Struktur wird dazu dienen, die Toleranz von D. magna gegenüber PIs auf der Populationsebene vorherzusagen. Insgesamt wird angestrebt, zum ersten Mal zu verstehen, wie sich Populationen von Daphnien an cyanobakterielle Inhibitoren anpassen. Dies hat möglicherweise Bedeutung für das Verständnis der Evolution von Resistenz gegen Pflanzentoxine in Insekten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Kay Hofmann; Dr. Thomas Petzoldt