Molekularbiologische und biochemische Methoden zur Systematik am Beispiel Ecdysozoa


Examensarbeit, 2003

69 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen

Einführung: Motivation dieser Arbeit

Kurzfassung

1 Stellung der Arthropoda

2 Kladistische Analysen

3 Derzeitige Grenzen der phylogenetischen Stammbaumforschung im Taxon Ecdysozoa
3.1 Die richtigen Sequenzen
3.2 Adaptive Radiation durch Umwelteinflüsse
3.3 Genetische Variabilität
3.4 Ignorierung von Alignment-Gaps als phylogenetische Informationsträger
3.5 Fehlende Daten über Invertebraten

4 Allgemeine Methoden der Kladistik
4.1 Allgemeiner Ablauf phylogenetischer Analysen
4.2 Kladistische Analysen von DNA-Sequenzen
4.3 Computer-Algorithmen
4.4 Bewertungsmaßstäbe der allgemeinen Methoden

5 Evolution des Genoms
5.1 Transponierbare Elemente
5.1.1 „Lebenszyklus“ transponierbarer Elemente
5.2 DNA-Rearrangements
5.3 DNA-Reparaturmechanismen
5.4 Repeats
5.5 Mutationen

6 Horizontaler Gentransfer
6.1 Arten der Evolution – Sichtweise Darwins
6.2 Neuere Erkenntnisse in der Evolutionsforschung
6.3 Mitochondrien und Chloroplasten als semiautonome Organelle
6.3.1 Evolutionärer Transfer von Genen von Mitochondrien zum Nucleus
6.3.2 Horizontaler Transfer von mitochondrialen Intron-Sequenzen
6.4 Larvaler Transfer
6.5 Sekundärer Endosymbiontenverlust
6.6 Horizontaler Gentransfer zwischen verschiedenen Spezies
6.7 Transfektion über Viren-DNA
6.8 Transformation durch Nahrungsmittel
6.9 Globale Katastrophen fördern horizontalen Gentransfer

7 DNA-Stabilität
7.1 Assoziation von DNA mit Mineralienoberflächen

8 Diskussion und Ausblick

9 Anhang
9.1 Glossar
9.2 Internetadressen
9.3 Quellenverzeichnis
9.4 Sachwortregister

Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen

Tabelle 1 - Neu zu diskutierende Taxa der Arthropoden (Schmidt-Rhaesa, Bartolomaeus et al. 1998)

Tabelle 2 – Heutige zeitliche Einteilung des Quartärs

Abbildung 1 – Glaziale und Interglaziale in Mitteleuropa

Abbildung 2 – Zeittafel der Entstehung einiger wichtiger Vertreter der Ecdysozoa

Abbildung 3 – Flussdiagramm kladistischer Analysen

Abbildung 4 – Neighbour Joining-Kladogramm

Abbildung 5 – Neighbour Joining-Stammbaum

Abbildung 6 – Dendrogramm im Gedankenexperiment

Abbildung 7 – Wirkmechanismus von transponierbaren Elementen

Abbildung 8 – Charles Darwin

Abbildung 9 – Möglichkeiten des horizontalen Gentransfers

Abbildung 10 – Culex nigripalpus -Moskitolarve infiziert mit Baculoviren (mit freundlicher Genehmigung von D. Barnard, U. S. Departement of Agriculture)

Abbildung 11 – Vermehrung des HI-Virus (Mit freundlicher Genehmigung der Bildredaktion Spektrum der Wissenschaft, aus Spektrum der Wissenschaft 10/2002, S. 65, Grafik: Quade Paul)

Abbildung 12 – Adsorption eines Duplex-DNA-Moleküls an ein Mineralienpartikel (Mit freundlicher Genehmigung von W. Wackernagel, Universität Oldenburg)

Einführung: Motivation dieser Arbeit

Die Systematikals Grundlagenwissenschaft hilft nicht nur Biologen, sich einen Überblick über das Tier- und Pflanzenreich zu verschaffen. Mit einem geordneten System lässt es sich besser arbeiten. Schon der Volksmund sagt: „Es ist besser die Dinge beim Namen zu nennen.“

Wegbereiter für die klassische Systematik, wie wir sie heute kennen, war Carl von Linné. Von ihm wurde im Jahr 1758 die binäre Nomenklaturzur Klassifikationder Lebewesen eingeführt. Die ersten überlieferten Systematisierungskonzepte (e.g. dichotome Klassifikationstafeln) gehen auf Plato (427-347 v. Chr.) und seinen Schülernzurück. Aristoteles (384-322v.Chr., Schüler von Plato) ermöglichte die Bestimmung von Unbestimmtem und Möglichem durch Einführung seines Stoff-Form-Verhältnisses, indem er Platos Gegensatz „Welt der Ideen“ in „Welt der Erscheinungen“ änderte.

Jede Wissenschaft erneuert sich stets in ihren Erkenntnissen. Hypothesen werden falsifiziert oder verifiziert, verifizierte Hypothesen werden zu Theorien und bestätigte Theorien zu Lehren.

Die klassische Systematikfasst Stämme, Klassen, Ordnungen, Familien und Gattungen anhand morphologischer Daten zusammen. Vergleichende Anatomieist das Mittel ihrer Wahl. Das „konsequent phylogenetische System“ wurde von W. Hennigim Jahr 1950 begründet. Hierin werden anhand dichotomer Verzweigungsmuster phylogenetische Kladogrammeerstellt.

Jede Art von Systematikversucht autapomorphe Merkmale zu finden. Durch das Auffinden von Autapomorphienkönnen zu ordnende Vertreter in einer phyletischen Gruppe zusammengefasst werden. Die Radulaist beispielsweise eine solche für den Stamm Mollusca.

Die Entwicklung von immer schneller werdenden Rechnern, die neuartigen biochemischen und molekularbiologischen Methoden ermöglichen Systematiknicht nur anhand morphologischer Merkmale zu betreiben. Sequenziermaschinennach Vorbild Sangers lassen den genetischen Code nahezu aller lebenden Organismen innerhalb von wenigen Monaten aufklären. Kristallisationstechniken in der Biochemie ermöglichen die Bestimmung von Proteinstrukturen. Die Röntgenstrukturanalyseentschlüsselt Proteine bis auf ihre Primärstruktur.

All diese Techniken ermöglichen der phylogenetischen Kladistik, autapomorphe Merkmale in DNA- und Proteinsequenzen zu finden.

Der Druck, viel in kurzer Zeit publizieren zu müssen, lässt zum Teil auch noch nicht ausgereifte Techniken anwenden. Es werden Ergebnisse veröffentlicht, die nach wenigen Jahren wieder als falsch gelten können. Diese Abschlussarbeit versucht anhand von Primär- und Sekundärliteraturneben der Vorstellung kladistischer Methoden, die neue Technik der phylogenetischen Systematikzu bewerten.

Kurzfassung

Das erste Kapitel in dieser Arbeit setzt sich mit der Stellung der Arthropodaim Tierreichauseinander. Berücksichtigt werden darin die neuesten Forschungsergebnisse bis zum Jahre 2002. Die neu festgelegten Ordnungen der Ecdysozoawerden vorgestellt.

Das zweite Kapitel dient als unterstützendes Kapitel zum ersten Kapitel. Es beschreibt den Weg ausgehend von den angewandten molekularen Methoden bis hin zu der Interpretation der Ergebnisse aus den Untersuchungen, die zu den im ersten Kapitel dargestellten Ergebnissen führten. Eine Möglichkeit der symbiotischen Verknüpfung zwischen molekularer und morphologischer Datenerhebung wird demonstriert.

Im dritten Kapitel werden die derzeitigen Grenzen der phylogenetischen Stammbaumforschungaufgewiesen. Dabei spielen das Auffinden und Verwenden der richtigen Gensequenzabschnitte im Genom, adaptive Radiation, genetische Variabilität, fehlende Datenerhebungen von DNA-Sequenzen eine große Rolle.

Das vierte Kapitel dient dazu, allgemeine Methoden der Kladistikvorzustellen. Behandelt werden mögliche allgemeine Abläufe kladistischer Analysen, Computeralgorithmen zur Bestimmung von kladistischen Stammbäumen und Bewertungsmaßstäbe der allgemeinen kladistischen Analysen.

Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit der Evolutiondes Genoms. Darin werden Transposons, DNA-Rearrangements, DNA-Reparaturmechanismen, Repeats, Mutationenund ihre Bedeutung in der Evolution des Genoms angesprochen. Ein großer Aspekt liefert der horizontale Gentransfer, dem das sechste Kapitel gewidmet wurde.

Außer der Vorstellung des horizontalen Gentransfers gibt das sechste Kapitel eine kleine Einführung in die Darwin’schen und Lamarck’schen Lehren, behandelt neuere Erkenntnisse in der modernen Evolutionsforschung, diskutiert Mitochondrienund Chloroplastenals semiautonome Organelle, larvaler Transfer, sekundärer Endosymbiontenverlust, horizontaler Gentransfer zwischen verschiedenen Spezies, die Transfektionüber Viren, die Transformationdurch Nahrungsmittel und zu guter letzt die Gefahr globaler Katastrophen in bezug auf horizontalem Gentransfer.

Das siebte Kapitel diskutiert die Stabilität von DNA in Aggregaten.

Im letzten Kapitel werden die Ergebnisse verglichen und Vorschläge für die Handhabung kladistischer Analysen für die Zukunft gegeben.

1 Stellung der Arthropoda

Die Stellung der Arthropodaim Tierreichist bis heute noch unklar. Traditionell werden die Arthropoden in nächster Verwandtschaft zu den Annelidengesetzt. Diese Hypothese beruht auf morphologischen Daten.

Daten über 18 S rRNA(Aguinaldo 1997; Schmidt-Rhaesa, Bartolomaeus et al. 1998) fordern zu der erneuten Interpretation des Stammes Arthropodaüber die Stellung im systematischen System der Tiere auf. Nach neuesten Untersuchungen entsteht eine neue Taxonomie(vgl.Tab.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 - Neu zu diskutierende Taxader Arthropoden(Schmidt-Rhaesa, Bartolomaeus et al. 1998)

Eine Sonderstellung nehmen die Gastrotrichaein. Von morphologischen Daten lässt sich ableiten, dass sie in Übereinstimmung mit den Cycloneuraliaeine Schwestergruppe bilden. Aus molekularbiologischen Daten lässt sich folgern, dass die Gastrotricha nahe den Plathelminthesoder basal zu allen Spiraliernpositioniert werden müssen (Schmidt-Rhaesa, Bartolomaeus et al. 1998).

2 Kladistische Analysen

Die Ergebnisse der Untersuchungen von Aguinaldo (1997) (vgl. Kap. 1) sprechen für zwei Hypothesen (Schmidt-Rhaesa, Bartolomaeus et al. 1998).

Hypothese I: Die Panarthropodasind ein Schwestertaxon zu Annelidamit den Articulata.

Hypothese II: Die Panarthropodasind ein Schwestertaxon zu Cycloneuraliamit Ecdysozoa.

Für ein TaxonEcdysozoasprechen nicht nur kladistische 18 S rRNA-Stammbäume. Den Ecdysozoa beinhaltenden Tieren sind gemeinsam: Ecdysteroidhormone, verlorengegangene Cilienzur Lokomotion, Kutikulaaus drei Schichten und die Formation der Epikutikulaan der Spitze der epidermalen Microvilli.

Die morphologischen Beobachtungen gestalten sich schwierig: Segmentierungmit teloblastischer Segmentformation und die Existenz von segmentalen Coelomhöhlen mit Nephridienbestärken den Stamm Articulata. Während diese Merkmale in der Linie der Panarthropoden modifiziert oder reduziert sind (Schmidt-Rhaesa, Bartolomaeus et al. 1998).

Weitere Probleme bereitet die Stellung der Brachiopoda. Lange wurde dieser Stamm an die Seite der Deuterostomiagestellt. Dafür sind embryologische Studien verantwortlich. Die Molekularbiologie falsifiziert diese These. Die Untersuchungen von Halanych et al. (1995) an nuklear-chiffrierten kleinen Untereinheiten ribosomaler RNA(s mall s ubunit r ibosomal RNA, ssr RNA) von Brachiopoden, Phoroniden und Ectoprocta, stellen diese eher zu den coelomatischen Protostomia, wie Molluskenund Anneliden(Saito, Kojima et al. 2000).

Aus Untersuchungen von Schlegel und Stechmann (1999) an Terebratulina retusa (Brachiopoda) kann eine unabhängige Evolutionvon Brachiopoda und Molluscanicht festgestellt werden. Gensequenzanalysenerbrachten, dass die Anordnung von partiellen mtDNA-Sequenzen von dem Prosobranchier L. saxatilis kongruent mit den Sequenzen der Brachiopoden ist. Die Gen-Arrangements im Bivalvier M. edulis und einer Lungenschnecken-DNA sind weitgehend vom Brachiopoden Terebratulina verschieden.

Diese Studie der Proteinalignments(Maximum Likelihood-Verfahren) (vgl. Kap. 4.3) setzen Lumbricus terrestris als erstes Taxonder Lophotrochozoa. Weitere Probleme erweisen sich an C. elegans und A. suum. Gemeinsam mit den Arthropodenformen sie einen Clade Ecdysozoa. Dies kann bei dieser Studie nur in einer Analyse bestätigt werden.

Jedoch gliedern sich die Brachiopodenin die Protostomierein und bilden nicht die Basis der Bilateria. Gen- und Proteinsequenzen unterstreichen eine Beziehung von T. retusa zu den Protostomia. Relationen zu den Deuterostomiaerweisen sich als falsch (Schlegel und Stechmann 1999).

Studien im Jahre 1999 an CytochromoxidaseI-Gen- und 18 S rRNA-Studien von Pogonophoren und Vestimentifera (Halanych, Lutz et al. 1999) falsifizieren die Einteilung dieser beiden Gruppen als paraphyletische Gruppe. Ergänzende Studien an EF-1a[1] bestätigten die Stellung innerhalb der Anneliden. Die Anneliden gelten nach dieser Studie als paraphyletische Gruppe. Echiuridamüssen außerhalb der Gruppe der Annelida gesetzt werden (Halanych, K. M., Black M. B. et al. 1997).

3 Derzeitige Grenzen der phylogenetischen Stammbaumforschungim TaxonEcdysozoa

3.1 Die richtigen Sequenzen

Die meisten konservierten Nukleotideund Aminosäuresequenzen im Mitochondriengenom von Tieren gehören zu dem proteincodierenden Gen der CO I[2]. Diese hochkonservierten Regionen in der mitochondrialen DNA (mtDNA) weisen einige Variationen in unterschiedlichen Phylaauf. Durch diese Unterschiede könnte auf Phyla- oder Supraphylataxonomien durch deep-branch-Techniken rückgeschlossen werden.

Die Ergebnisse von CO I-Studien an Brachiopodenerbringen: weder die Aminosäure- noch die Nukleotidsequenzen des CO I-Gens liefern nützliche phylogenetische Lösungen. Das CO I-Gen charakterisiert sich durch seine einerseits hochkonservierten und andererseits hochvariablen Regionen. Die hochkonservierten Regionen des CO I-Gens stehen unter funktionellem Zwang und beinhalten wenig phylogenetische Information. Die hochvariablen hingegen sind zugänglich für multiple Treffer und Homoplasien. Die Evolutiondes CO I-Gens ist innerhalb der Metazoaund innerhalb der Brachiopoda unterschiedlich. Bisher ist es noch unklar, welchen Effekt diese verschiedenen Evolvierungsraten der CO I-Sequenzen auf die Phylogeniehaben (Saito, Kojima et al. 2000).

Eine Wiederaufnahme der Untersuchungen von Goloboff (1993) durch Giribet und Wheeler (1999) bestätigt, dass 18 S rDNA-Sequenzen sehr informativ in der Unterscheidung von diploblastischen und triploblastischen Metazoaund anderen Gruppen der Bilateria(Ecdysozoa, Plathelminthes, Trochozoa, Deuterostomia) sind. Jedoch lösen die Untersuchungen an 18 S rDNA definitiv nicht die internen Relationen der vier Haupt-Ordnungen der Bilateria (acoelomatische Plathelminthes, Deuterostomia, Trochozoa und Ecdysozoa).

Eine Verifizierung der Monophylieder Ecdysozoagilt als verlässlich, was jedoch auf die Paraphylieder Deuterostomiernicht zutrifft. Spiralische Coelomaten (= Trochozoa) bilden eine Gattung oder einen vierten realen Stamm. Um diese Studie zu manifestieren werden in Zukunft weitere Analysen und vielleicht ein breiteres Sampling von anderen DNA-Sequenzen benötigt (Giribet und Wheeler 1999).

3.2 Adaptive Radiationdurch Umwelteinflüsse

Der Wechsel von Warm- und Kaltzeiten, von glazialen und interglazialen Zeitepochen prägen das Bild der faunistischen Zusammensetzung. Während des Quartärs wechselten sich Warm und Kalt miteinander ab. Die Zeitepochen des Tertiärs werden von diversen Autoren unterschiedlich definiert. Paläobotaniker gehen meist davon aus, dass das Quartärbereits vor 2,3 Millionen Jahren beginnt. Dem entgegen stehen die Paläozoologen, da nach ihrer Meinung die zeitliche Untergrenze mit der Eburon- oder Donau-Kaltzeit (vor 1,7 Mio. Jahren) beginnt. In dieser Arbeit soll der 1987 von Wissenschaftlern verschiedener Nationen mittels zahlreicher unterschiedlicher Quellen erarbeitete „Geological Time Table“ als Maßstab dienen. Nach diesem beginnt das Tertiär vor 1,7 Millionen Jahren.

Tab. 2 folgt der heute gültigen zeitlichen Einteilung des Quartärs.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2 – Heutige zeitliche Einteilung des Quartärs

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 – Glazialeund Interglazialein Mitteleuropa

In Mitteleuropa fanden bis heute fünf Glazialeund fünf Interglazialestatt (vgl. Abb. 1, S. 16). Das Würm-Glazial (vor 0,07 – 0,01 Mio. Jahren) und die Nacheiszeit (vor 0,01Mio. Jahren bis heute) wurden in Abb. 1 nicht dargestellt.

Die kommenden und gehenden Eislasten senken und heben das darunter liegende Land. Wegen des durch die Vereisung erniedrigten Meeresspiegels wird die Beringstraße als Verbindung zu Asien nach der pliozänen Überflutung wieder landfest. Während der Warmzeiten dient diese Landverbindung quartären Säugern als Einwanderungsweg. Nach den letzten Vereisungen wird sie auch für den Menschen zum Tor in die „Neue Welt“.

Kältesteppen, Frostphänomene wie Solifluktion, mächtige Frostaufbrüche oder Dauerfrostböden formen das Bild der Landschaft in den Glazialen.

Auch im Karbon und Perm hat es bereits Eiszeiten gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 – Zeittafel der Entstehung einiger wichtiger Vertreter der Ecdysozoa

Abb. 2 stellt die geschätzten Entstehungszeitpunkte von Brachiopoda, Onychophora, Euphausiaceaund Decapoda(von links gelesen) durch fossile Funde dar. Die Symbole stehen für einige Vertreter der Tierklassen.

Die Onychophora gliedern sich in zwei Familien. Die Familie der Peripatosidae kommt zumeist in gemäßigten Breiten vor. Peripatidae leben ausschließlich in tropischen Zonen. Unter neuseeländischen Vertretern wurde eine endemische, hochspezialisierte und mit hohen Frosttoleranzenversehene Gruppe gefunden. Diese Onychophorenfraktion lebt alpin. Für die Adaptationsind interglaziale und glaziale Prozesse im Pleistozänverantwortlich.

Glazialehaben physische und biologische Auswirkungen:

- Physisch
- Eiserosionslandschaften
- Moränen
- Täler
- Fjorde
- Biologisch
- Extinktion
- Zonation
- Alpine Anpassung

Untersuchungen an der neuseeländischen Onychophorengruppe bestätigen die Theorie der alpinen Radiation von Trewick et al.: Der Ursprung der dortigen Alpinenspezies und ihre speziellen Adaptationen fallen mit der großen Alpinenhebung der Eiszeit des Pleistozäns zusammen. Das grundlegende Isolationsmodell wird nicht bestätigt. Dieses Isolationsmodell geht davon aus, dass die ganze Population der dortigen Onychophora ursprünglich Kontakt zueinander hatten. Die moderne Population wurde in alpinen Regionen durch das wärmere Klima der Interglazialengegen Ende des Pleistozens isoliert. Oder Habitatsmodifikationen, wie die Einführung von Räubern unter den Mammaliader letzten 2000 Jahre, trugen zu einer größeren fragmentalen Zusammensetzung bei.

Die Sequenzen 63 verschiedener 3’CytochromoxidaseI-Sequenzhaplotypen sind durch eine ss-Konformationspolymorphismusanalyse[3] und Sequenzierunggefunden worden. Konservierte Veränderung variabler Regionen in der Familie werden entdeckt. Phylogenetisch analysiert findet sich der Beginn der Diversifizierungder Onychophoren-DNA vor ca. 3,3-4 Mio. Jahre. Eine häufig verwendete Divergenzrate von Mitochondriensequenzen von 2-2,4 % pro Mio. Jahre ist berücksichtigt worden.

In der Tiergruppe der Onychophora wird eine hohe genetische Variation und Diversitätfestgestellt. Dabei spiegelt sich die phylographische Struktur in Subdivisionender meisten Linien wieder. Die geschätzte Hauptkoaleszenzzeit vor ca. 4 Mio. Jahren fällt in den Zeitpunkt der geschätzten Emergenz der hauptaxialen Kette der südisländischen Berge. Die sehr unterschiedliche Struktur des Stammbaumeslässt sich mit der Isolation der Populationen auf alleinstehenden Bergketten der pliozänen Bergbildung erklären (Trewick, Wallis et al. 2000).

Bei neuseeländischen Onychophoren treten höhere interspezifische Sequenz- und Allozymdivergenzen auf. Diese erweisen sich als höher als von vielen Insektenberichtet wird. Die Diversifizierungdes neuseeländischen Stammes wird auf 8,7 Mio. bis 2 Mio. Jahre vor heute (im Pleistozän) geschätzt. Der geographische Zustand Neuseelandswährend des Überganges des Miozänsin das frühe Pliozänwar von marinen Überschwemmungen geprägt. Dadurch haben sich einst andere Inselkonfigurationenals heute geformt. Die südliche Bergkette Neuseelands formte sich während des Pliozäns. Vulkanaktivitäten während des Pleistozäns formten im Norden der Insel die Berge. Habitatsfragmentationen während des späten Miozäns könnten ausschlaggebend für die allopatrischen Peripatus -Populationen gewesen sein.

CO I-Analysen ergeben eine genetische Distanzrate von 10,5 % zwischen tasmanischen und neuseeländischen Peripatus -Arten. Vergleiche zwischen australischen und neuseeländischen (inklusive südamerikanischen) Peripatus -Arten ergeben 20,6 % (Trewick 2000).

3.3 Genetische Variabilität

Parthenogeneseund sexuelle Fortpflanzung wechseln bei Aphidenim Vegetationszyklus von e. g. Brombeersträuchern. Allein durch chromosomale Umgestaltung und Mutationsind unter australischen Aphiden der Gattung Sitobia miscanthi vier Genotypen bekannt (2n = 17, 2n = 18, 2n = 20 und 2n = 21). Die Vertreter mit 17, 20 und 21 Chromosomenentstammen seit ihrer Kolonialisierung in Australien unlängst eines gemeinsamen Vorfahren. Sie verändern ihre Genotypen sehr schnell (Sunnucks, Chisholm et al. 1998). Sexuelle Reproduktionerbringt die höchste genotypische Diversität: Natürliche Kreuzungen zwischen Sitobia fragariae u. S. avenae erbringen viele verschiedene Genotypen bei fertilen Eiern (Hales, Sunnucks et al. 1997).

Evolutionvon Mikrosatelliten-DNAund Chromosomenverhindert die Determinierung von Homologien in chromosomalen Veränderungen (Hales, Sunnucks et al. 1996). Die Geschlechtsbildung in Aphidenist durch das X-Chromosomvorgeprägt. Weibliche Aphiden haben XX, männliche X0. Verlieren parthenogenetische Weibchen ein X-Chromosom, können aus ihnen Männchen entstehen. Genetisches Imprintingkann ausgeschlossen werden. Durch Imprinting können nicht so viele parthenogenetische Generationen produziert werden. Aphiden die ihre sexuelle Phase während ihres jährlichen Generationszyklusverloren haben, besitzen multiple rDNA-Kopien auf dem X-Chromosom. Diese Konzentration auf dem X-Chromosom könnte von der Rekombination der X-Chromosomen während der Parthenogenesisstammen (Hales, Sunnucks et al. 1997).

Bei Isopodenvariiert die Sequenzlänge der kleinen Untereinheit ribosomaler DNA (ssrDNA = small subunit ribosomal DNA) bis zu einer Länge von 3537 bp (e. g. Ligidium hypnorum). Ligidium hypnorum ist der Rekordhalter überlanger ss rDNA. Überlange ss rDNA-Sequenzen sind bei verschiedenen anderen Crustacea, Insektenund Protozoenbekannt. Diese unüblichen Sequenzen besitzen hypervariable Regionen, benannt auch als Expansionselemente. Viele unterschiedliche Hypothesen über die Evolutionund den Ursprung der hypervariablen Regionen sind beschrieben. Die meisten gehen davon aus, dass diese Regionen durch slipped-strand Misspaarungs-Eventeentstanden sind.

Untersuchungen von ss rDNA-Sequenzen an Oniscideasollten die Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb dieser Tiergruppe klären (Mattern und Schlegel 2001). Die alinierten Sequenzen von allen untersuchten Tieren beinhalten 4204 bp. Die Sequenzen beinhalten Gaps. Die Erklärung des Begriffs Gaps findet sich in Kap. 3.4. Die konservierten DNA-Regionen beinhalteten 1821 bp, davon sind 342 bp variabel für eine Spezies. Unter diesen variablen Regionen sind 141 bp phylogenetisch informativ. Chrinochaetaund Synochaetabilden eine monophyletische Gruppe. Dabei ist Synochaeta die Schwestergruppe zu den Chrinochaeta. Beide zusammen formen die Schwestergruppe der Diplochaeta. Bestärkt sind diese Verwandtschaftsverhältnisse durch morphologische Studien.

Die Synochaetabesitzen an Stelle 297 ein Guanin anstatt eines Adenins als Base. Adenin tritt bei allen anderen untersuchten Tiergruppen an Stelle 297 auf. Aus dieser Tatsache lässt sich eine Autapomorphiefür die Synochaeta finden. Die Nummerierung des ss rDNA-Genoms gibt Asellus aquaticus als Außengruppe vor.

Stellt sich die Annahme der Autapomorphieals richtig heraus, lassen sich für konservierte Regionen der Chrinochaetaacht Autapomorphien, zwölf synapomorphe Charaktere für die Euoniscoida (= Diplochaeta) und 27 autapomorphe Charaktere für die Oniscideafeststellen.

Mehr als 50 % der DNA von Onisciden enthalten hypervariable Regionen. Bei anderen Crustacea(e. g. Daphnia pulex) zählen die hypervariablen Regionen 40 %. Diese Regionen erweisen sich als phylogenetisch uninteressant und sind durch das Alignmentausgenommen.

Die verschiedenen Regionen weisen verschiedene Mutationsraten auf. Dadurch müssen variable und konservierte Regionen differenziert für die Phylogenese der untersuchten Isopodenbetrachtet werden. Die konservierten Regionen bestimmen eindeutig die Rekonstruktion der frühen Splits. Dagegen informieren die variablen Regionen besser über die Beziehungen zwischen nahverwandten Taxa.

3.4 Ignorierung von Alignment-Gapsals phylogenetische Informationsträger

Die DNA aller Lebewesen ist durch vier Basen aufgebaut. Diese sind Adenin (A) Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Die DNA unterscheidet sich von der RNAin nur einer Base. Diese ist Uracil (U) anstelle von Adenin. Die phylogenetische Forschung geht davon aus, dass nah verwandte Taxapositionshomologe DNA-Sequenzen aufweisen und versucht durch Vergleiche dieser Gen-Sequenzen Stammbäume zu finden. Phylogenetisch uninteressante Sequenzen werden als Gaps(=Alinierungslücken) im genetischen Code verstanden. Gaps sind Folgen von Insertionenoder Deletionenund kennzeichnen Regionen, in denen Positionshomologieunsicher ist. Das Alignmentdes genetischen Codes sind Gen-Sequenzen, bei denen diese Gaps in den phylogenetischen Analysen (s. Kap. 4.1) nicht berücksichtigt werden. Die Alinierung ist das Erstellen des Alignments. Im Alignment für Proteinsequenzen werden nicht homologe Aminosäurenals Gaps definiert.

Gründe für das Ignorieren von Alinierungslücken sind:

- Schwierige Anwendung der Gapsauf Maximum Likelihood- und Parsimony-Verfahren (s. Kap. 4.3)
- Schwierige Determinationsmöglichkeit der Gap-Positionen, besonders wenn ein breites Spektrum an Taxaoder divergierende Speziesim Screeningerfasst werden sollen

Die Familie Bombus bildet nach allgemeiner Lehrmeinung eine monophyletische Gruppe. Untersuchungen an Bombus von Kawakita (2003) haben gezeigt, wie nützlich Alignment-Gapsfür phylogenetische Analysen sind.

Das Ergebnis ist: Gapsund vieldeutige Intronsequenzen beinhalten nützliche phylogenetische Signale. Diese Erkenntnis stimmt mit den Basensubstitutionsmusternin Bombus überein. Unzweideutige alinierte Gaps bedeuten minimale Homoplasie. Diese Gaps sind kongruent mit den Bäumen, die durch Basensubstitutionen dargestellt werden können.

Untersuchungen der Gapsverschiedener Taxabieten eine gute Möglichkeit, bestehende Phylogeniezu elaborieren und zu verfeinern (Kawakita, Sota et al. 2003).

3.5 Fehlende Daten über Invertebraten

Die meisten Sequenzierungen kompletter mitochondrialer DNA betreffen Chordaten und Arthropoden, während die mitochondrialen Genome von vielen Invertebratenbis heute unbekannt sind.

Diese Tatsache hinterlässt einen Flickenteppich in der kladistischen Stammbaumanalyse.

Um weiterführende Fragen klären zu können, werden zusätzliche Daten über mtDNAinarticulater Brachiopodenbenötigt (Schlegel und Stechmann 1999).

[...]


[1] Elongationsfaktor 1a

[2] CytochromoxidaseI

[3] ss = S ingle s trand

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Details

Titel
Molekularbiologische und biochemische Methoden zur Systematik am Beispiel Ecdysozoa
Hochschule
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg  (Zoologisches Institunt)
Note
1,0
Autor
Jahr
2003
Seiten
69
Katalognummer
V26539
ISBN (eBook)
9783638288439
ISBN (Buch)
9783638702454
Dateigröße
1962 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Molekularbiologische, Methoden, Systematik, Beispiel, Ecdysozoa
Arbeit zitieren
Marcus Kuntze (Autor), 2003, Molekularbiologische und biochemische Methoden zur Systematik am Beispiel Ecdysozoa, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/26539

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