Verhaltensanpassungen gehören häufig zu den ersten Merkmalen, die sich während der Divergenz von Populationen entwickeln, und können eine entscheidende Rolle bei der Entstehung neuer Arten spielen. So können sich zwar viele Organismen mit nahen Verwandten kreuzen, sie „entscheiden“ sich jedoch oft dagegen. Unsere Forschung konzentriert sich auf sensorische und Verhaltensanpassungen: Wir untersuchen, wie ökologische, genetische und entwicklungsbedingte Faktoren ihre Evolution beeinflussen und wie sie zur Artbildung sowie zu anderen Prozessen auf Populationsebene beitragen.
Wir untersuchen, wie sensorische und Verhaltensmerkmale zur Divergenz von Populationen und zur Artbildung beitragen. Dafür kombinieren wir ökologische und Verhaltens-Experimente in den Tropen mit Methoden aus Neuroanatomie und Populationsgenomik.
Unser Schwerpunkt liegt auf Heliconius-Schmetterlingen, die eine beeindruckende Vielfalt leuchtender Warnmuster in der Neotropis zeigen. Eng verwandte Arten unterscheiden sich oft in ihren Flügelmustern, und da Männchen meist Weibchen mit dem gleichen Farbpattern bevorzugen, entsteht eine wichtige präzygotische Barriere zwischen den Arten.
Visuelle Partnerpräferenzen
Organismen nutzen oft visuelle Signale, um geeignete Partner anzulocken und zu erkennen. Obwohl die Evolution dieser Signale auf molekularer Ebene zunehmend verstanden wird, wissen wir nur wenig über die genetischen und entwicklungsbedingten Mechanismen, die der Variation der entsprechenden Präferenzen zugrunde liegen, oder über visuell gesteuerte Verhaltensweisen im Allgemeinen. Heliconius-Schmetterlinge sind hervorragende Modellorganismen, um zu untersuchen, wie visuelle Präferenzverhalten während der Entwicklung und über evolutionäre Zeiträume hinweg entsteht.
Unsere Forschung zu visuellen Paarungsvorlieben behandelt vier zentrale Fragen:
1) Wie tragen visuelle Präferenzen zur Evolution reproduktiver Isolation bei, und welche Rolle spielen dabei genetische Architektur und ökologische Faktoren? 2) Wie interagieren visuelle Präferenzen mit anderen Sinnesmodalitäten? 3) Wie wird Verhaltensvariation im Genom kodiert, und wie haben sich Präferenz- und Farbmustergene innerhalb der Gruppe ko-evolutionär entwickelt? 4) Wie werden Paarungsvorlieben über Veränderungen in neuronalen und sensorischen Systemen vermittelt?
Rossi, M., Hausmann, A.E., Alcami, P., Möst, M., Wright, D.S., Kuo, C.-Y., Lozano-Urrego, D., Maulana, A., Melo-Flórez, L., Rueda-Muñoz G., McMahon, S., Linares, M., McMillan, O., Pardo-Diaz, C., Salazar, C. & Merrill, R.M. (2024) Adaptive introgression of a visual preference gene.Science 383: 1368-1378
Die Facettenaugen von Insekten bestehen aus zahlreichen unabhängigen lichtempfindlichen Einheiten, den Ommatidien, von denen jede Lichtinformationen empfängt und an das Gehirn weiterleitet. Variationen in der Augengröße von Insekten können die visuelle Wahrnehmung direkt beeinflussen. Wir untersuchen, wie sich die Augengröße sowohl innerhalb als auch zwischen verwandten Heliconius-Arten unterscheidet. Besonders unsere jüngsten Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Variation durch divergente Selektion getrieben wird und mit der Sehschärfe zusammenhängt (d. h. der Fähigkeit, Details in einem visuellen Szenario wahrzunehmen).
Derzeit nutzen wir das Heliconius-System, um die evolutionäre Genetik und Entwicklung der Variation in der Augengröße von Insekten besser zu verstehen, und planen zudem, diese Analysen auf weitere Schmetterlingsarten auszuweiten.
Selektion sollte divergente sensorische Phänotypen in Populationen begünstigen, die unterschiedlichen sensorischen Bedingungen ausgesetzt sind. Dies kann reproduktive Isolation erzeugen, entweder durch Beeinflussung der Partnerwahl oder durch verminderte Fitness schlecht angepasster Immigranten und/oder Hybriden. Trotz der zentralen Rolle des Gehirns bei der Modulation der Sensitivität und Integration von Reizen konzentrieren sich bisherige Artbildungsstudien vor allem auf die sensorische Peripherie.
In Zusammenarbeit mit unseren Kolleg:innen an der University of Bristol kombinieren wir Vergleiche von Neuroanatomie, Genexpression und Verhalten zwischen kürzlich divergierten Heliconius-Arten und ihren Hybriden mit groß angelegten vergleichenden Analysen, um vier zentrale Fragen zu beantworten:
1) Werden Veränderungen in der neuronalen Ausstattung durch ökologische Selektion getrieben? 2) Wie hängen diese Veränderungen mit Verschiebungen sensorischer Verhaltensweisen zusammen? 3) In welchem Umfang haben sich verschiedene neuronale und sensorische Merkmale ko-evolutionär entwickelt, und wird ihre Evolution durch Entwicklungs- und/oder Fitness-Trade-offs eingeschränkt? 4) Wie ist die genetische Architektur, und welche spezifischen genetischen Veränderungen liegen letztlich den neuronalen Anpassungen zugrunde?
Wir haben kürzlich eine Zusammenarbeit mit Jonna Kulmuni begonnen, um Anpassung, Artbildung und Hybridisierung bei Formica-Waldameisen (Formica ssp.) in den Alpen zu untersuchen. Unser Haupt-Feldstandort für dieses Projekt liegt etwas mehr als eine Stunde mit dem Zug von unserer Abteilung in München entfernt – eine ganz andere Situation als bei „unseren“ neotropischen Schmetterlingen. Arten, die normalerweise nur im Norden Europas vorkommen, sind in dieser Region in höheren Lagen zu finden, was es uns ermöglicht, zu untersuchen, wie sich diese Populationen von eng verwandten „südlichen“ Arten in tieferen Lagen unterscheiden. Wir planen, diese Populationen mit denen in Finnland zu vergleichen, wo bekannt ist, dass diese Arten hybridisieren.
